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之江實(shí)驗(yàn)室高級研究專員李國瑞——讓仿生魚游向萬米深海

來源:人民日報(bào)

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2021-03-29 08:06:03

原標(biāo)題:之江實(shí)驗(yàn)室高級研究專員李國瑞——讓仿生魚游向萬米深海

來源:人民日報(bào)

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之江實(shí)驗(yàn)室高級研究專員李國瑞的科研之路,和仿生魚緊緊連在一起。從提出有意思的創(chuàng)意,到成功通過海試,這條“魚”終于“游”向了深海。他說,堅(jiān)持到現(xiàn)在,是科研的趣味、成就感、喜悅感支撐了他。

在世界最深的馬里亞納海溝,萬米海底處,一條柔軟的“魚”在輕輕撲翼。這條仿生魚,源自李國瑞10年前的創(chuàng)意。那時(shí),他還是一名大學(xué)生。如今,他已是浙江杭州之江實(shí)驗(yàn)室智能機(jī)器人研究中心高級研究專員。這條“魚”,也“游”向了深海,“游”上了《自然》雜志封面。

李國瑞(右二)和團(tuán)隊(duì)成員在做實(shí)驗(yàn)。趙新原攝

創(chuàng)新,讓軟體機(jī)器人一步步游向深海

在李國瑞的手機(jī)里,記者看到10年前“魚”的雛形:與現(xiàn)在這條仿生魚類似的藍(lán)白兩翼,更短更圓,連著一個(gè)簡陋的控制器。“那時(shí),我在哈爾濱工程大學(xué)就讀,學(xué)校倡導(dǎo)科技創(chuàng)新,我覺得水下機(jī)器人有意思,就在大一暑假琢磨著做了一個(gè)仿生魚雛形,能遙控它在水里游動。”李國瑞說。

大學(xué)畢業(yè)后,李國瑞考入浙江大學(xué)航空航天學(xué)院交叉力學(xué)中心讀研。導(dǎo)師黃志龍教授看到他做的水下機(jī)器人后,建議他跟著軟體機(jī)器人與智能裝備實(shí)驗(yàn)室的李鐵風(fēng)教授學(xué)習(xí)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科研強(qiáng)項(xiàng)之一,就是軟物質(zhì)和智能軟材料。李鐵風(fēng)建議:深化這條“魚”的性能,攻關(guān)智能軟體水下機(jī)器人。

2017年,李國瑞課題組做出電驅(qū)動的水下機(jī)器人,綜合性能相當(dāng)好——游速快、全透明、低噪音。成果發(fā)表在《科學(xué)》子刊上,還登上浙大官網(wǎng)首頁。

接下來朝哪個(gè)方向研究?李鐵風(fēng)和他一起分析:深海水壓那么高,海洋生物為什么能經(jīng)受住壓力生存?這或許說明在深海環(huán)境,軟材料比鋼鐵更具優(yōu)勢。

于是,下一步方向有了:開始研發(fā)深海軟體機(jī)器人!帶著這個(gè)異想天開的創(chuàng)意,李國瑞開始了一步步的探索。

探索,將“生命之秘”化作“機(jī)器之力”

在深海科考中,深海機(jī)器人必須有高強(qiáng)度的金屬耐壓容器保護(hù),才能抵抗巨大的壓力。

“造一條能在馬里亞納海溝游泳的機(jī)器魚。”李國瑞興致勃勃。馬里亞納海溝是已知的海洋最深處,低溫、寂靜,水壓極高。

在馬里亞納海溝6000—11000米之間,生活著一種獅子魚,它的骨骼分布在凝膠狀柔軟的身體中。從獅子魚身上,李國瑞獲得靈感:“要是將單薄的電子元器件離散分布,并嵌入柔軟的硅橡膠中,扛住高壓,不就能擺脫傳統(tǒng)深海機(jī)器人必用的抗壓外殼了嗎?”

深海獅子魚的“生命之秘”化作了“機(jī)器之力”。最后成型的仿生軟體智能機(jī)器魚,形似一條深海獅子魚,長22厘米,翼展寬度28厘米,大小如一張A4紙。兩個(gè)會撲動的側(cè)鰭,與軀體的“肌肉”相連。當(dāng)機(jī)器人電池發(fā)出的電信號經(jīng)過“肌肉”時(shí),這些“肌肉”便會舒張,通過節(jié)律性撲翅實(shí)現(xiàn)游動。

2019年12月,仿生魚潛至馬里亞納海溝深處。海試影像記錄顯示,在馬里亞納海溝10900米的地方,仿生魚實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定撲翼驅(qū)動。2020年8月27日,仿生魚在南海3224米深處成功游泳。

這條“魚”能“游”上《自然》雜志封面,在于它的優(yōu)勢和價(jià)值。目前,深海機(jī)器人的抗壓外殼成本高昂。仿生魚又輕又靈巧,重量還不到200克,而且成本遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的深海機(jī)器人。“軟體機(jī)器人有很多特殊優(yōu)勢,對復(fù)雜環(huán)境、極端環(huán)境、惡劣環(huán)境適應(yīng)性都好。”李國瑞說,未來或?qū)⒖吹剑涹w機(jī)器人深入有待探索的深海區(qū),在珊瑚礁、水下洞穴中穿行,參與海洋監(jiān)測、海洋污染清理和預(yù)防、海洋生物多樣性保護(hù)等諸多工作。

堅(jiān)持,在挫折的苦后體味成功的甜

圓臉,笑容陽光,背著雙肩包——李國瑞出生于1990年,是一名90后科學(xué)家。

90后科學(xué)家向往什么?李國瑞向往活潑的生活,“我的生活太單調(diào)了,除了科研,還是科研。而且,做科研有很多‘痛苦’。”

“做這條仿生魚,苦苦堅(jiān)持才成功。”李國瑞原本估計(jì)一年做成功。沒想到,這一做就是3年。

2018年到2019年,李國瑞經(jīng)常去上海海洋大學(xué)做模擬深海試驗(yàn)。沒想到,深海這個(gè)完全陌生的領(lǐng)域,給了他悶頭一棍。

各種各樣的失敗接踵而來。元件壓壞,人工肌肉不能驅(qū)動。“好好的人工肌肉,按理不怕壓力。但一到深海環(huán)境,驅(qū)動就失效。是電的原因,還是機(jī)械原因?”李國瑞說,光弄清這個(gè)問題就足足折騰了一年,才確定是材料特性——高壓和低溫下,會導(dǎo)致驅(qū)動失效。

“每次深海裝備試驗(yàn),只能排除一個(gè)科學(xué)問題,然而試驗(yàn)成本卻十分昂貴。每次回到課題組匯報(bào)試驗(yàn)的失敗情形,其實(shí)都需要一定的勇氣。”回憶“痛苦”的闖關(guān)經(jīng)歷,李國瑞忍不住笑了。

因?yàn)橐粭l“魚”,李國瑞的生活更“無趣”了。申請出國交流兩年,去了3個(gè)月,他就趕回國繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)。2019年做海事試驗(yàn)前,他將器械理好給合作方,當(dāng)天啟程去外地開會。沒想到路上接到電話:電池短路了。他當(dāng)晚就趕回杭州,重新準(zhǔn)備海試器件。

“但這趟折返太值了,馬里亞納海溝的萬米海試,就是在這次做成功的。”李國瑞慶幸地說。

2020年8月,李國瑞和團(tuán)隊(duì)到南海試驗(yàn),在海上漂泊多日,其間還遇到了臺風(fēng)。李國瑞回憶說:“船跟著浪一直搖,人都暈乎乎的。臺風(fēng)過后,夜里海況條件轉(zhuǎn)好,我們馬上開始試驗(yàn)。凌晨3點(diǎn),我們在主控室里盯著機(jī)器魚,看著它在海底張翼,成功完成預(yù)定游動,那一刻實(shí)在太激動了。雖然做科研有很多‘痛苦’,但‘痛苦’之后的快樂是巨大的!”

李國瑞笑著說:“做自己擅長的工作,才能做得更好。盡管做科研免不了挫敗和‘痛苦’,但堅(jiān)持到現(xiàn)在,還是科研的趣味、成就感、喜悅感支撐了我。”

[責(zé)任編輯:楊凡、崔中連]

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