每經(jīng)記者 梁宏亮    每經(jīng)實習(xí)記者 溫雅蘭    每經(jīng)編輯 張凌霄    

動物具有長期學(xué)習(xí)形成的經(jīng)驗，這些經(jīng)驗為人類技術(shù)發(fā)明提供了源源不斷的創(chuàng)新靈感。而科學(xué)家的研究，在自然與技術(shù)之間架起了一座聯(lián)結(jié)彼此的橋梁。

中國科學(xué)院院士、固體力學(xué)專家楊衛(wèi)在“科學(xué)與中國”走進(jìn)大灣區(qū)暨第十一屆院士專家巡講系列活動中分享了其團(tuán)隊如何從深海獅子魚獲得靈感，并造出能在深海作業(yè)的機(jī)器人的故事。

想要生存在被喻為“地球第四極”海洋深處的馬里亞納海溝，生物需要承受110兆帕的壓力，相當(dāng)1100個大氣壓強(qiáng)。“我們知道，走到深海中往往需要很厚的防護(hù)殼。但是有一種獅子魚可以在八千多米的深海中自由游弋，它的身體非常柔軟。”談及獅子魚的獨特結(jié)構(gòu)，楊衛(wèi)說：“但是這種魚和普通的魚有幾點不同。第一，它沒有空腔，全身都肉嘟嘟的；第二，它所有的骨頭和刺都又細(xì)又長，非常柔軟；第三，它的頭骨不是整片狀的，而是很多細(xì)小的骨架通過柔軟的瓊脂包裹在一起。在深海的高壓下，深海獅子魚這樣的結(jié)構(gòu)使得其柔軟的部分基本不會受到三維靜水壓的影響。”

“深海獅子魚可能出現(xiàn)問題的地方在于其身體軟和硬的部分的交界面，但是如果能夠?qū)⑵浼魬?yīng)力控制在一定范圍內(nèi)，深海獅子魚是可以存活的。所以，如果想要在深海中不需要防護(hù)就能存活，就需要物體中所有硬的部分都‘化整為零’，并且用柔性的材料將其連接。”楊衛(wèi)講解道。

基于獅子魚頭部骨骼在軟組織中的分散融合這一特點，楊衛(wèi)的團(tuán)隊采用了“以柔克剛”的策略研制出仿生軟體機(jī)器魚。這款軟體仿生機(jī)器魚長22厘米，翼展寬度28厘米，大約為一張A4紙的長寬，其各個信息獲取裝置，比如攝像機(jī)、能夠在壓力下存活的能源裝置等則分布在全身，并整體封裝在一種柔性有機(jī)硅材料中，無需耐壓外殼就能夠承受萬米級別的深海靜水壓力。

針對仿生機(jī)器魚的未來應(yīng)用，楊衛(wèi)介紹：“這個項目在將來還可以進(jìn)一步推廣，比如應(yīng)用于深海的無人傳播結(jié)構(gòu)中。”

除深海機(jī)器魚外，楊衛(wèi)還介紹了他們團(tuán)隊近期正在研究的足式機(jī)器人。“雖然人類造機(jī)器人所使用的材料和部件，包括電機(jī)、電池等各類動力來源，要比動物肌肉的能量密度更高，但是這類機(jī)器人奔跑的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及動物本身，甚至只有動物的一半”，楊衛(wèi)解釋道，“為什么會有這樣的現(xiàn)象？關(guān)鍵在于兩個方面。第一點在控制方面，動物具有長期學(xué)習(xí)所形成的經(jīng)驗，但是我們做的足式機(jī)器人每一步都要重新學(xué)習(xí)。所以我們必須采用人工智能的辦法，對以往的經(jīng)驗進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，這樣在遇到具體情況時才能‘條件反射’式地做出步態(tài)調(diào)整。”

“第二點在于利用耦合力學(xué)方面的知識，比如惠更斯耦合擺，無論我們給出什么樣的初始條件，它都可以協(xié)調(diào)成統(tǒng)一的步態(tài)。在本征動力學(xué)的驅(qū)動下，我們正在設(shè)計新一代的足式機(jī)器人，他將會能夠以10m/s的速度進(jìn)行奔跑。”楊衛(wèi)談到。

封面圖片來源：視覺中國-VCG41N1356593648