這身長22厘米，展翅28厘米的小小機器魚頂住了馬里亞納海溝6000至11000米之間的極高壓在其中自由“翱翔”。這一成果為深海探測作業(yè)、環(huán)境的觀察和深海生物的科考提供了新的解決方案讓電影中的科幻情節(jié)變成了現(xiàn)。

李國瑞，2010級哈工程船舶工程學院船舶與海洋工程專業(yè)校友，現(xiàn)為之江實驗室智能機器人研究中心高級研究專員。曾主持研究中國博士后科學基金面上項目“基于充電速率介電高彈聚合物力電耦合調(diào)控”和之江實驗室青年基金項目“快響應(yīng)氣動軟體機器人”。主要研究方向為電驅(qū)動軟體機器魚和深海軟體機器智能驅(qū)動技術(shù)，相關(guān)成果發(fā)表于 Science Advances和 nature 封面文章。曾獲全國大學生海洋航行器大賽特等獎、ICRA國際軟體機器人大賽金獎、“力諾瑞特杯”第六屆全國節(jié)能減排大賽三等獎、“啟真杯”浙江大學 2018 年度十大學術(shù)成果等榮譽稱號。

“把不可能變成可能，有創(chuàng)新的科研才有靈魂”

2020年8月27日凌晨三點，形似一條魚，長22cm、翼展寬度28cm，完全無耐壓殼保護的仿生軟體機器人在中國南海3224米海深處實現(xiàn)自主游動。

“我在主控室看到機器人在海底游起來的那一刻，難以抑制的興奮、激動，同時又感受到積壓已久的壓力瞬間得到了釋放，數(shù)年的堅持終于取得了里程碑式進展。”李國瑞說。

與水下機器人的緣分，要追溯到李國瑞本科的時候，在哈爾濱工程大學船舶工程學院就讀船舶與海洋工程專業(yè)的他，通過科技創(chuàng)新比賽接觸到了水下機器人的相關(guān)方向，并連續(xù)兩年獲得了全國大學生海洋航行器大賽特等獎。

“哈工程的學風很嚴謹，也很注重培養(yǎng)學生的拓展能力，老師們對學生的科研工作非常支持?！睍r至今日，李國瑞仍記得自己做科研之初因為經(jīng)費不足向系里船模水池實驗副主任郭春雨老師申請時，立刻得到了2000元的科研經(jīng)費支持，“那好像是2012年，2000元的科研經(jīng)費對一個學生的科研工作真的是很大的支持?！爆F(xiàn)在回憶起來，李國瑞仍然很感動。

仿生軟體機器人的初步構(gòu)想產(chǎn)生于17年5月末，當時，他剛在水下軟體機器人領(lǐng)域取得新進展，并以共同第一作者身份在Science子刊發(fā)表“Fast moving soft electronic fish”。

為了開拓研究思路，導師李鐵風教授帶他赴新加坡參加機器人領(lǐng)域的國際頂會ICRA學習?！耙恢艿臅r間，白天聽學術(shù)報告，晚上和導師總結(jié)討論。就是在這種不設(shè)限的自由研討中，我們第一次談到了‘深海軟機器’的設(shè)想。參考近幾年深?？瓶嫉臒狳c，我們思考如何借著深淵獅子魚的啟發(fā)，研制一種無需耐壓殼保護就可承受深海靜水壓力的仿生軟體機器人，實現(xiàn)深海探測裝備的小型化與智能化?！崩顕鸹貞浀?，“我們設(shè)定的小目標是在馬里亞納海溝實現(xiàn)軟體機器人的自供能驅(qū)動，這在當時的確是一個很大膽的設(shè)想”。

“無論成敗，終須事必躬親的勇氣！”

位于西太平洋的馬里亞納海溝是已知的海洋最深處，深約10911米，靜水壓極高（約1100個大氣壓強的壓力）、溫度低、完全黑暗，被稱為“地球第四極”。

在深?？瓶贾校瑸榱说挚咕薮蟮撵o水壓力，現(xiàn)有的深海機器人均需高強度的金屬耐壓容器保護。而摒棄耐壓殼保護和電機驅(qū)動，在深海實現(xiàn)軟體機器人的自供能驅(qū)動，這件事兒還沒有人干成過。在課題啟動初期，李國瑞承受了不小的壓力。

“無論成敗，終須事必躬親的勇氣！越是有難度的科研，就越有創(chuàng)新的空間。”秉持著這樣的想法，李國瑞開始了“摸著石頭過河”式的研究。深海軟機器，這是一個嶄新的科研方向，鮮有先例可循，李國瑞嘗試著從現(xiàn)有的深海裝備技術(shù)和軟體機器人文獻中找到一些共性點，然后結(jié)合自己的力學背景開展探索。

“機器人研究是一項系統(tǒng)工程，從理論方案設(shè)計到實際樣機驗證，都有很大的挑戰(zhàn)。好在國瑞很擅長跨領(lǐng)域思考，也具有很好的學科交叉思維，能夠結(jié)合不同技術(shù)找到創(chuàng)新點?！睂熇铊F風教授如此評價他的這位學生。

“基于彈性軟材料壓力自適應(yīng)的優(yōu)勢，不同于傳統(tǒng)的‘鎧甲式’抗高壓深潛裝備，我們將控制電路、電池等硬質(zhì)器件融入集成在凝膠狀的軟基體中，并通過對結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)設(shè)計實現(xiàn)內(nèi)部應(yīng)力分布的調(diào)節(jié)，使軟體機器人無需耐壓外殼，便能承受萬米級深海靜水壓力，并能大幅降低深海探測的難度和成本。”李國瑞說。

“每解決一個bug，就是向成功邁進一步”

2018年8月，在上海深淵科學技術(shù)研究中心，仿生深海軟體機器人在110 MPa（11000米水深所對應(yīng)靜水壓力）靜水壓的壓力罐中實現(xiàn)了穩(wěn)定的游動實驗。

這次成功來之不易，將近一年的時間，李國瑞每半個月就要去上海做一次機器人的壓力實驗驗證，很多次都是信誓旦旦出發(fā)，帶著遺憾歸來。

克服過電子器件壓潰、材料驅(qū)動失效、密封失敗等各種各樣的問題，李國瑞形容做研究就像是“升級打怪”，每次都會遇到不同的bug，但是從未想過放棄。

在研究歷程中，系列的數(shù)值計算和大量的壓力環(huán)境模擬實驗驗證了方案的可行性，但仿生深海軟體機器人的可靠性仍需深海實地環(huán)境的測試。2018年底，李國瑞所在項目組第一次挑戰(zhàn)萬米深淵就取得了初步進展，軟體驅(qū)動器及融合電子電路在萬米海深實現(xiàn)穩(wěn)定驅(qū)動。

2019年12月，仿生深海軟體機器人成功坐底馬里亞納海溝，在10900米海深處實現(xiàn)了穩(wěn)定撲翼運動；2020年8月，機器人在南海3224米實現(xiàn)自主游動。

“對于我們來說，一切海試都是不可控的，我們能做的就是在出海之前做好最充分的準備?！崩顕鹫f。就像最近一次的南海海試，項目組在南海遇到了超強臺風，在海上整整漂了10天，僅獲得了一次實驗的機會?！芭_上一分鐘，臺下十年功，我們抓住了返航前一晚天氣轉(zhuǎn)好的唯一機會，做成了機器人的深海試驗?！崩顕鹫f。

“組建深海軟體機器研究團隊，探秘深海無人之境”

目前，仿生深海軟體機器人實現(xiàn)了兩項關(guān)鍵性技術(shù)突破：適應(yīng)深海靜水壓力的軟—硬融合機器系統(tǒng)，適用于深海高壓低溫環(huán)境驅(qū)動的新型介電高彈體驅(qū)動器。

未來，李國瑞希望依托這些共性技術(shù)，組建一個朝氣蓬勃的研究團隊，在仿生軟體機器人與智能裝備領(lǐng)域開展獨立性研究，為提升智能機器人在深海、極地、高沖擊性等惡劣及特種環(huán)境下的自主、智能作業(yè)能力貢獻自己的力量。