浙大學者發明世界最快的仿生軟體機器魚

撰文 | 柯松 涵冰 岩夕

責編 | 岩夕

2017年4月5日，浙江大學實驗室里的一條「魚」出現在著名大眾科學雜誌《新科學家》上：全身柔軟無骨，能以每秒6厘米的速度不動聲色地暢遊3小時，速度達到世界同類軟體機器人最快。當天，浙大航空航天學院李鐵風、黃志龍課題組的論文Fast-moving soft electronic fish在Science Advances雜誌上線。「魚」，正是他們「養」的。

檔案 | 浙大軟體機器魚

身長：9.3厘米

體重：90克

帶電源最大游速：6厘米/秒，按距離身長比相當於小魚「清道夫」的游速

無負載最大游速：13.5厘米/秒，按距離身長比相當於菲爾普斯的游速

適應溫度：0-74攝氏度

適應水深度：0-200米（更深的水域還未進行相關實驗）

平板身材 「肌肉」發達

機器魚外形酷似蝠鱝（fú fèn，鰩魚的一種，人稱「魔鬼魚」），比一枚雞蛋略重。文章作者之一，博士生李國瑞將它投到魚缸中，它就如真魚附體，撲扇著「兩翼」划水前進。可是翻遍全身，記者也沒在它身上找到螺旋槳或電機之類的部件，就一塊扁平的硅膠。這讓它怎麼動？

「它有肌肉，電子肌肉。」通訊作者李鐵風指著它柔軟的「肚皮」說，這是機器魚的核心部件。這一層薄薄的 「電子肌肉」，實際上由三層材料組成：上下兩層是透明的介電高彈體薄膜，中間是導電用的碳膏或水凝膠；三層材料緊密地粘合在一起，就像北京著名小吃「茯苓餅」。如果給它兩極通上交流電，它已經可以像心臟一樣地「跳」動了！

介電高彈體薄膜在電刺激下伸縮

介電高彈體可以在電場作用下產生變形。2000年，Ron Pelrine等科學家發現一類高分子聚合物薄膜具有介電高彈的特性。「事實上很多高分子聚合物薄膜都有這種特性，比如一個氣球，我們將它進行適當改性後，它能在電壓的刺激下膨脹16倍。」李鐵風說，團隊將這一特性結合力學原理，對這種薄膜改性處理後，就成為「電子肌肉」的功能材料。

電子肌肉一張一弛，就帶動兩翼撲扇起來！它能在紅外信號的操控下實現左拐，右拐，前進！

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據介紹，這是國際上已知報道中游得最快的軟體機器魚。 「電子肌肉在電刺激的作用下可以快速地響應，所以我們的這個撲動頻率可以比較高，遊動的速度比較快。」李鐵風說，「此外，『魚』在水中，包裹它身體的水就是產生電壓的負極，這也是我們設計中的一個創新。」

為什麼要仿生蝠鱝？

浩渺的深海中，蝠鱝是一種非常優雅的魚類，微微扇動胸鰭，再向前滑行一段，彷彿在藍色的大海中飛翔。科學家為什麼要將蝠鱝作為仿生對象呢？

李鐵風說，蝠鱝游泳時非常省力，這一點讓科學家深受啟發，對機器魚來說這就意味著省電。電子魚靠體內封裝的450mAh（毫安時，相當於手機容量的十分之一）的鋰電池供電，續航能力可以達到3小時。此外，因為沒有任何電機等結構，機器魚遊動時產生的雜訊幾乎為零，名副其實地做一枚「安安靜靜的美男子」。

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機器魚在0.3攝氏度下游泳

值得一提的是，浙大造機器魚渾身的材料都是工業級的材料，在國內有巨大的產量和化工工業基礎，造價低廉，並且對環境友好。這也是課題組努力的目標，除了省電、還要省錢、環保，適合工業級的生產製造。「我們希望將來製作機器魚能像製造我們的橡膠鞋底一樣簡單，在模具中一衝便能成型。」李鐵風說。

以柔「勝」鋼

《新科學家》的科學記者讀完論文，興奮地發來採訪提綱，腦洞大開地列舉了十多項他能想到的應用場景，請李鐵風勾選。「我們認為，軟體機器魚可用於水下探測、偵查以及海洋環境與生物信息監測。軟體化可以大大提高機器魚的環境適應效果，保證它可以更容易、安全地通過狹窄區域。全軟體、高機動、長航時的機器魚結構，也可為流體力學研究和水下智能器件設計提供良好的搭載平台。」

在李鐵風的想像里，今後在大型水族館中讓真假蝠鱝同池游泳，會是一件很美妙的事。此外，研究的核心模塊「電子肌肉」，還能發展現有的可穿戴式醫療康復設備，或許會比硬質機械式產品更為舒適與安全。

軟體機器人是目前科學界一個新興的研究領域，雖然時間不長，但它們已經有了自己的代言人——《超能陸戰隊》中的大白。相比於傳統的硬質機器人，軟體機器人能夠任意改變自身形狀、抵抗外界衝擊，從而具有更好的環境適應性。目前，世界上已形成幾類軟體機器人研發：例如氣動式軟體機器人，可以實現抓握或爬行；還有形狀記憶的材料製成的機器人，通過溫度或者光照變化產生驅動力，此外，科學家還在進行肌肉細胞作為軟體機器人材料的研發。這些方向中的一部分已走向產業應用。

論文鏈接

http://advances.sciencemag.org/lookup/content/short/3/4/e1602045?rss=1

註：圖片由課題組提供，部分圖片來自網路。文章經公號：浙大科學+++授權轉載。

製版編輯：葉水送丨

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