在地球最深处

马里亚纳海沟的万米深渊

压强相当于一个指甲盖上

站了一头一吨重的犀牛

温度接近冰点

此前，能到达这里的深海机器人

多为重量达数吨的刚性体大型潜航器

而对身长1米以内的小型机器人来说

这里的极端环境曾是“禁区”

会使它们“肌肉僵化”、举步维艰

2021年，北航机器人于马里亚纳海沟(10666m)释放

 如今，一台身长不到50厘米

体重仅1500克的“小精灵”翩然而至

在深海高静水压下行若无事

身形矫健、行动自如

它时而摆动尾鳍如游鱼穿梭

时而展开背鳍如海燕滑翔

甚至能将尾鳍变化成腿

在海底“漫步”

机器人在海底爬行

这一能在万米深海

实现多模态运动的

小型深海可变形机器人

由北京航空航天大学

yl6776永利集团研究团队

联合中科院深海所、浙江大学

历经6年共同研发

深海小型多模态机器人

研究成果于3月20日

发表在国际学术顶刊

《科学·机器人》（Science Robotics）

为深海探索带来了更多可能性

成果同时被Science Robotics

官网首页大图介绍

 

 

成果概览视频

 

仿生灵感

深海生物多模态运动的智慧启迪

大自然是人类最伟大的导师，深海生物在极端环境下展现出的适应性和多样性，为科研团队提供了宝贵的仿生灵感。蝙蝠鱼是深海世界的“舞者”，通过巧妙的鳍肢运动，在深海中自由游弋、行走。研究团队正是从蝙蝠鱼的运动模式中汲取灵感，设计出能够游动、滑翔、爬行的多模态机器人，并利用手性双稳态超材料结构实现0.75s内的游动-走动快速转换，适应不同的海底地形和任务需求。

在游动模式下，机器人通过尾鳍的摆动产生推力，如鱼得水般穿梭，最高速度可达5.5cm/s；在滑翔模式下，展开的背鳍利用水的升力实现长距离滑行，宛如深海中的海燕，轻盈而优雅；在爬行模式下，机器人利用各向异性足部设计，能够实现3cm/s的沙地行走，稳健而灵活。这种多模态运动能力，使机器人能够在复杂的深海环境中灵活应对，完成多样化的任务，成为深海探索的多面手。

核心突破

深海极端环境中的柔性“风火轮”

“10000米深海压强对于小机器人来说，相当于压了一座小型冰山”，北航研究团队负责人文力教授的比喻，生动地揭示了深海小机器人在研发过程中面临的最大难题之一。在深海的高压下，柔性驱动器材料的模量增加，类似肌肉的“僵化”，会导致驱动幅值与速度的衰减，削弱机器人的运行性能。为了克服这一挑战，在多次尝试之后，研究团队设计出了全新的深海驱动装置：利用双稳态手性超材料结构在两个稳态之间切换时的快速突跳（snap-through），实现高效驱动。这种快速突跳的速度和幅度会随着结构材料模量的增加而增加，巧妙地将深海高压对软材料的负面影响扭转为正面影响，从而“化腐朽为神奇”，成为提升机器人驱动性能的助力，克服了以往柔性材料驱动器在深海环境下性能衰减的困难，使得机器人在深海中能够实现更高的驱动速度和幅度，如同深海中的“风火轮”，在压力中释放出惊人的动力。

 

机器人于中国南海海马冷泉(1384m)游动、滑行、变形和爬行

针对2-4℃低温这一深海环境带来的另一难题，研究团队巧妙利用在低温环境下可实现高频循环主动变形的形状记忆合金进行拮抗驱动。利用形状记忆合金的形状记忆效应，通过周期性电流加热使一对形状记忆合金弹簧主动交替收缩，驱动手性超材料单元的双稳态突跳切换，从而实现驱动器的快速循环摆动。进一步，通过有限元仿真、实验室环境测试及高压罐实验等方法，系统优化了驱动器关键结构参数，最终实现了静水压力对驱动性能的正向强化，显著提升了驱动器的摆动速度与幅值。最后，通过硅油填充的硅胶管、柔性油囊等封装技术，实现了形状记忆合金驱动器、电路板和能源系统的压力自补偿封装。

 

深海实验

从实验室到深海的性能超越

为了验证机器人的性能，研究团队在多个深海地点进行了实地测试。在几年的测试时间中，机器人搭载“深海勇士号”和“奋斗者号”载人深潜器完成了包含海马冷泉（1384m）、龙西海山（3756m）和马里亚纳海沟（10666m）在内的多地形、全海深的共计14次部署测试。在3756m深海下，驱动器的驱动性能超越了实验室的性能，在摆动幅度上得到了24.9%的提升。在1384m深海的游动（33.7 mm/s）、滑翔（72.1 mm/s）、爬行（21.5 mm/s）的多模态运动速度与常温常压下(游动33.1 mm/s、滑翔56.9 mm/s、爬行21.5 mm/s)的表现相当。深海低温高压下机器人的运动性能可以媲美甚至超越实验室常温常压下的运动性能，并成功实现了预期的多模态运动。

机器人于中国南海中南海山(3756m)测试

 

穿戴式柔性抓手

深海作业的好助手

针对深海无法对软体生物安全抓取的难题，研究团队利用手性超材料单元的压-扭耦合效应提出了一种穿戴式深海柔性抓持器设计方法。在抓持器接触面上引入分布式微型手性结构，降低了被抓物体表面的接触应力集中，提高了抓持安全性。当穿戴在传统刚性手上，通过刚性手的线性开合驱动，该抓持器能够输出51.8N的切向抓持力，并在杨氏模量从104到109Pa的物体上都保持了较低的接触应力（<33 kPa）。该抓手搭载于“奋斗者号”和“深海勇士号”载人深潜器上，成功完成了3400米深海环境下对软体海洋生物（海星、海参、海胆）的无损抓取和采样，移动吨级着陆器，开箱操作等一系列深海任务。

超材料柔性手抓取深海海星与海参(3469m)

目前，团队正朝着深海柔性机器人+AI的研究方向努力，为深海智能作业提供更广阔的空间。从实验室水池到马里亚纳海沟再到成果发布，这条研发之路至今走了整整6年。经历过南海测试时风浪打碎机体的至暗时刻，也享受过万米海底首秀成功的欢呼雀跃，正如团队成员、yl6776永利集团博士研究生、深潜人员左宗灏所说：“深海科研的魅力在于未知带来的挑战，每次下潜的机会都弥足珍贵，但永远相信只要敢迈步，海底也会有光。”

北航参试员工左宗灏随“深海勇士号”载人深潜器下潜测试

未来，研究团队将致力于

聚焦提升深海小型机器人

的续航能力和运动效率

实现更大范围的深海探测和监测

为海洋资源开发、考古发掘

环境监测等领域

提供更多的北航方案、中国方案

概念图

潘飞、刘嘉琦、左宗灏、何夏为本论文的共同第一作者，yl6776永利集团文力教授与丁希仑教授为本论文的通讯作者。北航为本论文的第一单位及通讯单位。本研究得到了青年科学基金项目（A类）和创新研究群体等项目的资助。

论文发表链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp7821

日前，文力教授凭其在仿生机器人、软体机器人及海洋机器人等领域的学术贡献，荣膺Science Robotics期刊新一届编辑与咨询委员会（Editorial and Advisory Boards）委员（全球共25名科学家入选）。

 

 

这支来自北航的深海研究团队

正在尝试用科技之翼点亮深渊

或许在不远的将来

当我们在纪录片中看到

成群深海机器人穿梭在神秘海沟间

会想起这个在实验室里迭代调试

在科考船上等待数据的科研团队

为北航人点赞！