北京时间2025年8月14日
国际学术顶刊《科学·机器人》
《Science Robotics》杂志发表
李国瑞课题组最新研究进展
“塑化电液软体机器人深海自主翱翔”
（Plasticized electrohydraulic robot autopilots in the deep sea）
课题组联合浙江大学、
中国船舶科学研究中心等相关团队
历经多年探索
研制出电液驱动深海软体机器人
并在1369米深度冷泉区
和4070米深度海山区等
多个海域开展了探测应用
成果同时被《Science Robotics》
官网首页
以“Featured Image”报道
学院李国瑞教授
为该论文的第一作者及共同通讯作者
哈尔滨工程大学为论文第一单位
研究得到了国家自然科学基金
国家重点研发计划等项目的资助
作为地球上最大的未知疆域，深海是人类探索生命起源、资源勘探和气候演化等关键问题的前沿领域。然而，解锁这片幽暗深渊的征途，却面临着严峻挑战：高压、低温等极端条件时刻考验着人类科技的边界；同时，平衡高昂的探索成本、装备可靠性与保护脆弱深海生态之间的矛盾，亦是横亘在我们面前的另一障碍。
2022年，课题组从“电致流动”这一经典物理现象中获得启发，启动了电液驱动深海软体机器人的研究。课题组将这一经典物理现象转化为深海柔性装备的电液驱动机制，是经典物理定律在深海极端条件下装备设计的创新拓展。团队利用静电场调控介电液体有序流动，将电场力转化为柔性液压单元驱动力。如下图所示，所设计的电液单元由薄膜壳体、柔性电极及内部介电液构成，在麦克斯韦应力作用下，介电液定向流动，精确驱动柔性单元产生可控变形。课题组系统研究了柔性电液单元在高压、低温条件下的力电耦合大变形效应，赋予系统良好的大变形能力。同时，驱动单元内部介电液与深海海水压力可实现自适应平衡，使系统具备全海深压力适应性。
此外，深海高压与低温环境诱发软材料硬化，严重制约软体驱动器的大变形能力与机器人高机动性。在此极端工况下，柔性电液单元中的介电流体粘度显著升高、柔性外壳材料杨氏模量急剧增大，协同禁锢电液驱动器的动态大变形性能。针对这一瓶颈问题，团队揭示了柔性电液单元介质的液—固塑化机制，提出了“电液、塑化介质一体化”策略，兼具激发电液单元大变形响应与弹性维持效应，突破了深海高压和低温的双重枷锁，显著提升了电液驱动软体机器人在深海极端环境下的机动能力。“课题组潜心探索电致流动经典物理现象在深海电液驱动机制的表达和应用拓展，可为极端环境下软体机器人与智能装备的驱动设计提供新路径”，李国瑞教授谈到该工作的科学意义。
在近期的电液驱动深海软体机器人中，课题组对软体驱动器、光学传感器、电子元件和软基体等进行了力学设计，优化了机器人在深海高压环境下机器人体内的应力状态。所研制的新一代深海软体机器人长约32cm，翼展宽约18cm，重量约670g，机器人内部的控制电路、传感器、电池等元件被融入集成在软体机身中，无需耐压外壳便能承受全海深静水压力。
机器人通过自身携带的小型化能源控制系统实现电液单元协同驱动，当软基体中的电子器件产生高压电信号时，柔性电液单元会在电压信号的激励下产生类似流体静力骨骼的变形模式，使其在深海环境下实现直行、转弯等多种轨迹路径。此外，该软体机器人集成了微型深海光学感知系统，可以在深海极端环境下完成对自身运动状态、环境目标的实时感知，使小尺度软体机器人具备深海近底感知能力。
在研究历程中，系列的理论计算和环境实验已经验证了机器人在高压低温极端环境下的驱动、推进、感知能力。为进一步证实该深海软体机器人在深海实地环境探测作业的可靠性，在广东智能无人系统研究院、广州海洋地质调查局、浙江大学、中国船舶科学研究中心等单位的联合支持下，课题组研发的深海软体机器人先后在中国南海的海马冷泉区、海山区等海域开展了一系列海试验证。
2024年6月13日深夜，团队所研制的深海软体机器人在南海3176米深度完成布放。海试影像记录显示，该机器人在深海复杂水流环境下完成了复杂轨迹运动、近底感知探测、自主姿态调控、返航等系列任务，证实了软体机器人在深海极端压力和复杂流动环境下的可靠机动性和感知能力。
2024年7月4日至6日，该深海软体机器人在海马冷泉区完成了多次布放，成功实现了约1369米深海环境下的低扰动探测任务。2024年7月9日，机器人搭载“海星”号6000米级深海ROV，在约4070米深度的海山区开展了航行试验，探索了深海潜水器和小型深海软体机器人协同作业，实现大范围、低扰动深海探测的可行性。
此外，为进一步验证该软体机器人与水下环境的生态融合特征，课题组针对该软体机器人开展了海洋生态环境和群落的原位、近距离行为观测。“历经多次海试的严苛考验，该软体机器人展现出良好的机动性、可靠的极端环境适应性和低扰动探测能力，有望为深海生态观测提供可持续的技术路径和方法革新”，该工作核心成员沈鹏博士说。
目前，团队正聚焦深海软体机器人的力学、信息、制造等多学科交叉探索，开展小型化深海软体机器人的驱动、感知、通讯一体化集成及群体智能等方向研究。未来，团队将持续致力于突破极端环境下柔性装备的材料耐久性、系统可靠性、智能化水平等关键挑战，为深海柔性装备探测作业拓展更广阔的应用空间。例如，群体化深海软体机器人能够低扰动地融入深海生物群落或矿区进行原位探测，或利用深海软体机器手实现脆弱样本的无损采集、精细操纵与安全交互等。
