【活动新闻】化身“渔夫”的力学专家

发布时间：2024-04-11

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《墨经》有云，力，形之所以奋也。这句话旨在强调科技创新对经济发展的推动作用。那么，对于力学专家来说，力，又能演变出怎样的功能和形态呢？

浙江大学航空航天学院教授李铁风对此有着深刻的认识，在他看来，力，可以意味着坚硬，更可以意味着柔软。在软体机器人领域，他深耕多年，不断迎接着新的挑战。4月10日，带着软体机器人的故事，李铁风来到中国科大附中，在这些故事里，李铁风戏称自己是“航空航天专业的养鱼人。”

当力学专家化身“渔夫”

提起机器人，通常会让人联想到电动机、马达、传动齿轮等机械结构，而李教授的机器人却格外的“软”。而这样的核心思想，灵感就是来源于深海里的鱼。

在人类试图征服星辰大海的旅程上，需要克服极端环境的巨大考验。深空和深海环境下，极端的压力条件，往往令最坚硬的外壳都土崩瓦解。那么，会不会软的物质反而更适应这类极端条件呢？

李铁风介绍到，想要设计出能适应极端环境的软体机器人，他首先选择去向深海鱼类寻求灵感。在地球生命还没有登上陆地的时候，海里的生物正是凭借柔软的躯体，在深海中恣意游动。甚至，含水量高达95%的水母，最高时速居然可以达到接近20公里。

正是在这样的灵感驱动下，航空航天专业出身的李铁风决心化身“渔夫”，致力于研制仿生机器鱼。而他要做的，就是将深海鱼类的构造和功能抽象出来，应用在机器鱼上。

2015年左右，李铁风基于水的弱导电性，尝试用水作电极，经过反复研究与实验，他的第一条全软体的、小于一寸长的机器鱼诞生了。为了测试它能否经得起大风大浪，李铁风克服重重困难，将其带至世界上最深的海沟——马里亚纳海沟，在万米深海，小鱼首次下海就成功地经受住深海的压力和几小时长的测试，实验成功了。

登上Nature封面的仿生狮子鱼

李铁风教授总是说“科研背后，是国之大者”。之所以有这样的感慨，是因为有了国家对科研的重视和科技水平全方位的进步，各个学科和工程领域才得以协作，2017年，中国科考团队于马里亚纳海沟约8000m 区域捕获的深渊狮子鱼，就是这样的例子。

至今，李铁风仍清晰记得自己将这条小鱼拿在手里的感觉——像果冻一样，不久就开始融化。难以想象，这么柔软的小鱼是如何对抗深海的巨大压力的。

经过分析研究，这种深渊狮子鱼的颅腔是半开放的，它针刺状的不完整的头骨，结合果冻状的身体，居然可以耐受超强的静水压力。惊叹于这一点，李铁风“脑洞大开”，仿照狮子鱼的生理特征，开始了各种分析和调控，最终，软体材料展现出了令人意想不到的特性与能力——软体的“柔”可以在万米深海的巨大压力下被用来保护电池、电路板、控制系统，人类首次无需耐压外壳的机器人马里亚纳海沟10900米深海驱动成功，该工作登上Nature封面， Nature 邀请Cecilia Laschi 等学者对论文评论指出：“拓展软机器人边界，开创深海机器人新领域，为新一代强适应高可靠机器系统奠定基础”。

这张登上Nature封面的机器鱼的故事，常常令李铁风由衷感慨：“一条小鱼启发了我的科研创新，而这背后是因为有强大的祖国。”

软体机器人的星辰大海

通过与海洋、信息、机械学科交叉，李铁风设计开发软体机器人深海实验测试平台，他将软体机器人系统平台与机器群组命名为Deep X，之所以如此命名，灵感来源于马斯克的Space X，“马斯克的商业的火箭，可以大幅降低成本，而我们的元器件，在深海如果不需要钛合金外壳，也能够耐住超高的压力，很多普通元器件就可以用，成本也将大幅降低。”李铁风介绍说。

在李铁风看来，软体机器人可以应对的极端环境远远不止深海，它要做的事也不仅仅是深海探测。在李铁风的规划里，软体机器人可以在很多人类未知的领域帮助我们拓展边界。

未来，如果你是海洋的研究者和保护者，利用软体机器人可以搭载超声成像设备、体温探测设备等，以监测海洋生物的生理指标，帮助我们进一步了解深海；我们还可以仿照自然界中的深海鱼群，开发我们人类的“仿生深海机器群”，实现协同交互、智能涌现。

除了地球上的环境，宇宙中的环境将是更大的挑战。未来，对深空的探测也将是软体机器人大显身手的战场。面对深邃未知的宇宙，人类保有共同的好奇，中国和美国科学家都公布了对太阳系其它行星的探测计划。而对于木星及其卫星组成的木星系来说，构成星体的主要成分可能呈气态或液态，其内部压力很可能远高于马里亚纳海沟，“皮薄馅大”的硬壳探测器难逃“内爆”的命运。如何深入其内部进行探测并传回信号？可能还是要借助于软体机器人的帮助，人类才能获得这些星体内部的数据。

此外，李铁风认为，所谓“极端环境”，不仅仅包括深空和深海，人体内部其实也是一个条件要求特别严苛的环境，市面上的一些辅助运动工具的人机交互并不友好，而“穿戴于”人体组织内部的设备，则更是对柔软性提出了极高的要求。以电子智能“膀胱”辅助装备为例，李铁风为现场观众勾勒出了软体设备未来在医学应用上的前景。

作为软体机器人的先驱者，李铁风对于自己的科研有这样的描述：在期待基础物理学突破的同时，将已知的物质之理找到一个合适的方式组织好，常常会带来不一样的思路，能够帮助人类去挑战深空和深海里的那些所谓的“不可能任务”。

“有趣的是，生命其实还有很多未知的秘密，在生命的启发下，我们铸造了机器之力，研发了软体机器人和探测器，同时，我们又进一步利用这些新型的探测器，去人类未知的世界完成那些“不可能任务”，进而更好的去发现那里的物质之理、去发现和解答生命之谜。这是吸引我不断的探索和求知下去的动力。”他说。