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华体会体育app官网 Science Robotics | 16克深海变形机器东说念主, 在马里亚纳海沟1万米深处畅游爬行
发布日期：2026-03-09 11:25 点击次数：168
论文信息
英文题目：Miniature deep-sea morphable robot with multimodal locomotion
华文题目：具备多模态通顺本事的微型深海变形机器东说念主
作家单元：北京航空航天大学、浙江大学、中国科学院深海科学与工程磋议所等
期刊：Science Robotics（IF 27.5中科院一区，JCR一区）
发表时候：2025年3月19日
结合：https://doi.org/10.1126/scirobotics.adp7821
引文容颜：Pan F， Liu J， Zuo Z， et al. Miniature deep-sea morphable robot with multimodal locomotion[J]. Science Robotics， 2025， 10: eadp7821.
01全文速览
深海探索一直是个矛盾的事：想看得细，就得靠得近；但传统的深潜器又大又笨，围聚了容易淆乱那些脆弱的生态系统。北航文力团队这些年一直在作念一件事——把深海机器东说念主作念小、作念软、作念天真。
这篇Science Robotics的后果，不错说是他们在这个方朝上的一次系统展示。中枢是一套基于手性超材料的软体运转单元，独一16克重，却能扛住马里亚纳海沟1万米深处的压力。用它作念的机器东说念主，不错游水、滑翔、爬行三种模式切换，在海马冷泉（1380米）和马里亚纳海沟（10660米）履行测试见效，终末还被载东说念主潜器的机械臂竣工无损地捞了回归。
更妙的是，这个运转单元有个反直观的特质：水越深、压越大，它反而跳得更快、扭得更猛——因为高压让软材料的模量加多，弹性势能开释更剧烈。基于同样的手性结构，他们还作念了个软体夹爪，能“穿”在现存刚性机械臂上，在3400多米深处握海参、捞海星、开箱子、搬东西，干了一堆活。
中枢亮点：
极致轻量：运转单元仅16克，整机2.7公斤（空气中）
万米耐压：马里亚纳海沟10660米实测，竣工回收
越深越强：运用高压进步材料模量，运转性能反而进步
三模切换：游水、滑翔、爬行，0.75秒从游变爬
聪颖实活：软体夹爪完成生物采样、物体搬运、开关箱等系列操作
02磋议内容
🧩中枢单元：手性超材料+管封SMA
传统软体运转器下了深海有两个问题：一是软材料被高压压得滚动不得，二是电机、液压系统体积太大，没法塞进厘米级机器东说念主里。
图1A-D讲授了他们的念念路。他们想象了一个双稳态手性单元——从一个十字形软材料预压缩获得，有两个相识现象，远隔对应左旋和右旋。在扭矩作用下，这个单元不错快速“啪”地一声从一种稳态翻转到另一种（图1B），产生高速扭转通顺。
瑕玷在这里：这个“啪”的速率和材料模量的通俗根成正比。深海高压会让软材料的模量加多，表面上说，水越深，这个单元反而跳得越快。图1B的有限元模拟阐明了这少许：模量加多15%，最大扭转速率进步8.5%，舞动幅度加多1.68%。图1C显现输出扭矩同样随模量加多而加多。
为了收尾周期性舞动，他们把两个体式记念合金（SMA）弹簧和一双镜像的手性单元组合起来（图1E）。SMA弹簧通电削弱，提供触发扭矩。图1F-G显现，与无手性的对照组比拟，这个想象让舞动幅度平均进步了71.6%。更垂死的是，在模拟深海环境（4°C，40 MPa）测试中，单元的舞动幅度和速率反而比常温常压下更高（图1I-J），考据了“越深越强”的臆想。
图1.深海手性运转模块。(A)手性运转模块的撅断速率与杨氏模量(E)和密度(ρ)之间的关系（n = 5；差错线潜入SD）。(B)现象切换经由中手性单元的速率。(C)手性运转模块的输出扭矩与杨氏模量(E)之间的关系（n = 5；差错线潜入SD）。(D)在角度限制加载条目下现象切换技能手性单元上施加的扭矩。(E)深海手性运转模块想象暗示图；SMA线圈用硅油密封在硅橡胶管内。(F)手性和非手性运转模块的摆角随时候变化。(G)实验室水箱中手性和非手性运转模块的旋转幅度的比较（n = 10；差错线潜入SD）。联系手性和非手性比较的更多防卫信息可在电影S3中找到。(H)实验室和深海环境中手性单元旋转幅度的比较（联系压力罐测试的更多防卫信息请参阅电影S5）。(I和J)手性运转模块在压力罐(静水压力，40 MPa；温度，30°C)、实验室水箱(静水压力，0 MPa；温度：22°C)和深海环境(深度，3789 m；相应静水压力，37.9 MPa；温度，4°C)中在0.45 Hz运转频率下的旋转幅度比较(n = 5；差错线潜入SD）。
🤖机器东说念主想象：孤独三用，变形切换
有了运转单元，就不错搭积木了。机器东说念主的想象念念路挺认知：用归并套运转单元，收尾三种不同的通顺模式。
图2A展示了全体结构：两侧的运转单元限制尾鳍和腿，前部的运转单元肃穆变形，胸鳍不错折叠。具体来说：
游水模式：两侧运转单元轮换触发，让尾鳍傍边舞动产生推力（图2C）
转向限制：只触发一侧，就能傍边转弯（图2D-E）
滑翔模式：胸鳍展开，运用升力蔓延滑翔距离（图2G中，展开胸鳍比收起多滑670 mm）
爬行模式：运转单元让腿同步通顺，相助异形脚产生上前的摩擦力（图3I）
变形切换：0.75秒内完成从游到爬的现象转机（图2H）
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图2.大气条目下机器东说念主在实验室水箱中的多模式通顺。(A)机器东说念主的总体想象。(B)机器东说念主电路和压力抵偿系统暗示图。(C)机器东说念主沿直线游水。(D)机器东说念主左转。(E)机器东说念主右转。(F)机器东说念主罢黜“8”形轨迹。(G)滑翔测试罢了：机器东说念主在不同设置下的着陆距离——鳍片收回时为210 mm，鳍片展开时为880 mm，鳍片展开时上前游动时为1430 mm。(H)从游水现象过渡到爬业绩态。（一）机器东说念主行走经由的瑕玷框架。
视频S6和S7
实验室测试（图2C-I）显现，机器东说念主最大游水速率60.8 mm/s，爬行速率31 mm/s，还能走出8字形轨迹（图2F）。
🌊深海实战：海马冷泉+马里亚纳
实验室数据再漂亮，也得看真章。团队带着机器东说念主上了“深海豪杰”号和“委宛者”号载东说念主潜器，去了三个地方：海马冷泉（1384米）、龙溪海山（3756米）、马里亚纳海沟（10666米）。
图3.机器东说念主在深海中的多模式通顺。(A)深海豪杰号载东说念主潜水器运送的机器东说念主不才潜前。(B和C)在深海进行的游水和滑翔测试。(D)游水和爬行模式之间的转机。(E)机器东说念主的爬行。(F)在深海部署机器东说念主的实验轨迹；子面板比较了实验室水箱（爬行，n = 5；游水，n = 5；滑行和游水，n = 9）和深海（爬行，n = 3；游水，n = 6；滑行和游水，华体会体育n = 2）之间的机器东说念主速率。统计分析标明，机器东说念主的游水（P = 0.84）和爬行（P = 0.10）速率在实验室水箱和深海之间莫得昭着相反。
机器东说念主在龙溪海山、海马冷泉和马里亚纳海沟的多模式通顺（视频S11至S13）。
图3A是任务概览。在海马冷泉，机器东说念主被放到海底，先是游了671 mm（20秒），然后切换到爬行模式，爬了654 mm（25秒）（图3B-E）。图3F的统计分析显现，机器东说念主在深海和实验室的推崇莫得权臣性相反（游水P=0.84，爬行P=0.10）。
图4.深海多模态软机器东说念主的任务概况，展示了其在深海环境中游水、滑行、爬行和握取的本事。(A)袖珍机器东说念主由委宛者号载东说念主潜水器部署在10，666 m的深度，展示了不受敛迹、可变形和多模式通顺。(B)机器东说念主在鳍大开的情况卑劣泳和滑行。(C)机器东说念主在海底爬行，鳍闭合。(D)机器东说念主在海马冷泉中20秒游动671毫米。(E)机器东说念主在海马冷泉中25秒内爬行654毫米。(F)机器东说念主在马里亚纳海沟中在12秒内游水并滑行400毫米。袖珍机器东说念主在马里亚纳海沟中6秒内爬行了32毫米。(G)机器东说念主被委宛者潜水器的刚性机械臂回收。(H)装置在深海豪杰号刚性臂上的软夹具，将重型深海着陆器（沧海号）再行定位在南海3787米深处。（一）软爪在南海3464米处集合海参。(J)软爪在南海3469米处集合深海海星。(K)主管生物样品集合盒的软夹具。
深海采样（视频S14）。
在马里亚纳海沟10666米深处，机器东说念主游了400 mm（12秒），爬了32 mm（6秒）（图4F），终末被“委宛者”号的机械臂竣工回收（图4G）——这八成是咫尺有报说念的、在万米深海解放迁移的最小机器东说念主之一了。
深海实战（图4H-K）中，这个夹爪干了这些事：
-在3787米深处，迁移一个重型深海着陆器（图4H）
-在3464米处，握了一只海参（图4I）
-在3469米处，握了一只海星（图4J）
-开合生物采样箱（图4K）
🦑软体夹爪：一爪多用，聪颖细活
除了机器东说念主履行，团队还用同样的手性结构作念了个软体夹爪（图5A）。旨趣是运用手性单元的压扭耦合效应——往下压，它就会转（图5C）。把这个单元装在刚性机械臂上，开合手脚就能酿成握取手脚。
图5F的拉脱力测试显现，夹爪对不同体式的物体能产生10-50 N的握力。图5G-H显现，握取经由中战争应力耐久低于33 kPa，物体变形率小于14%，讲明这个夹爪确乎够“软”，合适握脆弱生物。
图5.用于细巧操作的深海软夹具。(A)夹具的想象暗示图。该夹具由两个对称的手性单元和一双握取手指构成。(B)手性单元的压缩应力-应变弧线。(C)手性单元的压缩-扭转和压缩-剪切耦合效应。(D和E)深海中握手的爪子展开和闭合。(F)握取多样体式和尺寸的物体时夹具的最大拉脱力（n = 5；差错线潜入SD）。(G)握取器在握取圆柱形物体时施加的战争应力。(H)夹持器夹持不同杨氏模量物体时的变形率和最大战争应力。
能软能硬，能握能搬，还无谓罕见供电——这个想象念念路挺讨巧，等于给现存的刚性机械臂加了一层“软界面”。
03革命点
①“越深越强”的反直观想象
陆续软材料下海是被迫挨打——高压让它们变硬，滚动不得。但这个想象运用了“变硬”这件事：手性双稳态结构的快速翻转，其速率与材料模量的通俗根成正比。高压导致模量加多，反而进步了运转性能。这个念念路淌若实施开来，可能会转换深海软体运转器的想象范式。
②手性超材料的多功能性
一双镜像的手性单元，既能作念舞动运转（游水、爬行），又能作念压扭转机（夹爪）。著作中展示了压缩-扭转、压缩-剪切两种耦合效应（图5C），用一套肤浅的几何结构收尾了多种变形模式。这种“结构即功能”的念念路，比堆砌复杂的机械系统要高明得多。
③着实的多模态+变形本事
许多机器东说念主堪称“多模态”，其实即是换了套范例。这个机器东说念主是竟然在物理方法上变了——胸鳍不错收放，腿和尾鳍共用一套运转，0.75秒内完成从游到爬的现象切换。这离生物的那种“动态重构”又近了一步。
④系统级的深海考据
从运转单元、机器东说念主履行到软体夹爪，从高压舱模拟到真实深海测试（1380米、3756米、10666米），统共责任的完成度相称高。图3F的统计对比讲明，机器东说念主到了深海并莫得“水土抵抗”，这给后续应用打下了塌实的基础。
⑤软硬集结的工程聪敏
软体夹爪不错“穿”在现存刚性机械臂上，不转换原有系统就能加多软握取本事。这种想象有计划到了履行工程落地的需求——不是推倒重来，而是在现存体系上作念加法。
04总结与瞻望
这篇责任让东说念主印象深刻的，不仅仅“在万米深海动了”这个罢了，更是统共想象逻辑的完整性。从材料层面的手性结构想象，到运转单元的力学分析，再到机器东说念主系统的多模态收尾，终末是深海实地考据——每个容颜王人有塌实的数据复旧。
手性超材料的“压扭耦合”和“双稳态快翻”这两个特质，在深海的顶点环境下反而被放大了。这种运用环境、而非对抗环境的想象念念路，值得模仿。
改日磋议将聚焦于以下几个场所：
🔸浮力精准调控：当今靠预估密度配重，机器东说念主稍许负浮力，徐徐下千里。淌若能作念厘米级的可变浮力相通器，就能收尾更精准的中性浮力限制。
🔸能耗优化与续航进步：咫尺约30分钟的续航，关于履行任务来说偏短。需要优化运转计谋（比如调节Strouhal数，当今是0.49，离高效区间0.2-0.4还有距离）和进步电板能量密度。
🔸自主限制与通讯：当今主要靠预编程和遥控。要收尾着实的自主功课，需要处分深海环境下的及时通讯、旅途策画、避障等问题。
🔸环境抗滋扰本事：海底不是静水，流、涌、地形变化王人会影响通顺。需要发展自适应限制和抗扰动计谋。
🔸多机器东说念主协同：文中终末提了一句“改日不错想象一群这么的机器东说念主协同责任”。淌若真能作念到集群下海、协同功课，那对深海勘察、测绘、采样将是颠覆性的转换。
🔸更横蛮的任务场景：除了生物采样，这类袖珍软体机器东说念主还能作念什么？比如海底考古、管说念检测、珊瑚树立……值得探索。
从䲟鱼吸盘到深海机器东说念主，北航团队在软体机器东说念主这条路上走得挺塌实。下一个问题可能是：当一群这么的机器东说念主下海，它们能看到什么？
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