如果讓你設(shè)計(jì)一臺(tái)水下機(jī)器人，你會(huì)給它裝上螺旋槳，還是機(jī)械爪？

在自然界，有一種生物早就給出了滿(mǎn)分答案——章魚(yú)。它能輕松抓起比自身重幾十倍的獵物，又能溫柔地?fù)崦约旱穆?。這種剛?cè)岵?jì)的神技，源自它的八條腕足，平時(shí)柔軟如綢，一觸即卷；需要發(fā)力時(shí)，又能瞬間繃緊成鋼筋。

受此啟發(fā)，北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院謝廣明教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出快速剛度調(diào)節(jié)水下抓取器，不僅實(shí)現(xiàn)了1.3秒軟化、0.8秒硬化的變態(tài)級(jí)響應(yīng)速度，還搭載在一款仿生機(jī)器人上，完成了“靜音抓取-上浮運(yùn)輸”的全套水下作業(yè)。研究成果于昨日發(fā)表在Science 合作期刊《Cyborg and Bionic Systems》上。

要知道，此前基于形狀記憶聚合物（SMP）的軟體機(jī)器人，最大的痛點(diǎn)就是“慢熱”。加熱軟化要幾十秒，冷卻硬化更要命，動(dòng)輒半分鐘以上。而這次，團(tuán)隊(duì)直接把切換時(shí)間壓縮到了亞秒級(jí)，速度提升了30倍以上。

01.

把海水變成散熱器：一個(gè)三層結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)魔術(shù)

傳統(tǒng)SMP驅(qū)動(dòng)器為什么慢？問(wèn)題出在散熱上。

想象你在冬天用熱水袋暖手，放一會(huì)兒就涼了，得重新加熱。SMP材料也是一樣，要變軟，得加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（約66℃）以上；要變硬，得冷卻下來(lái)。在空氣中，自然冷卻慢得像蝸牛。

于是研究團(tuán)隊(duì)在想，既然在水里作業(yè)，為什么不把海水變成主動(dòng)散熱器？

他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)精妙的三層熱界面結(jié)構(gòu)。內(nèi)層硅膠負(fù)責(zé)把鎳鉻加熱絲的“線熱源”均勻擴(kuò)散成“面熱源”，防止PLA局部燒焦；外層硅膠在加熱階段充當(dāng)保溫層，把熱量鎖在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)快速升溫；一旦斷電，21℃的海水立刻化身高效散熱器，利用水的高對(duì)流換熱系數(shù)，把熱量瞬間帶走。

配備形狀記憶聚合物 (SMP) 的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和水下性能

這套“脈沖加熱-環(huán)境冷卻”的策略，讓軟化僅需1.3秒，硬化更是只要0.8秒，比眨眼還快。更絕的是，硬化后的形狀零能耗保持。

不像傳統(tǒng)氣動(dòng)抓手需要持續(xù)抽真空維持抓取力，這個(gè)抓取器一旦鎖定，就像凍住的章魚(yú)腕足，不需要任何能量輸入就能穩(wěn)穩(wěn)托住重物。論文里管這叫“零能耗形狀鎖定”，對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間水下作業(yè)的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直是續(xù)航神器。

02.

六臂章魚(yú)俠：從軟綿綿到力大無(wú)窮的變形秀

這個(gè)抓取器長(zhǎng)什么樣？它有一個(gè)中央連接器，伸出六條仿生機(jī)械臂，每條臂上嵌著三個(gè)吸盤(pán)，內(nèi)部藏著SMP可變剛度系統(tǒng)。

可變剛度抓取器：結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和性能評(píng)估

六條臂的設(shè)計(jì)不是隨便定的。通過(guò)對(duì)稱(chēng)布局，它可以實(shí)現(xiàn)模式II（雙臂）、模式IV（四臂）、模式VI（六臂）三種抓取形態(tài)，每個(gè)機(jī)械臂上3個(gè)吸盤(pán)排列，可最大化有效吸附面積，并在不規(guī)則表面上提供粘附冗余。吸盤(pán)可以通過(guò)負(fù)壓產(chǎn)生吸力，增強(qiáng)抓取物體時(shí)的穩(wěn)定性。在正壓驅(qū)動(dòng)下，吸盤(pán)可以主動(dòng)與物體分離。

機(jī)械臂在不同狀態(tài)下性能不一。在100 kPa驅(qū)動(dòng)壓力下，軟化狀態(tài)的臂能彎曲161°，像真正的章魚(yú)腕足一樣貼合物體表面；硬化后，剛度瞬間提升25倍，尖端最大輸出力達(dá)到1.56 N（約160克）。六臂協(xié)同模式下，整體抓取力超過(guò)4 N，相當(dāng)于能穩(wěn)穩(wěn)抓起400克以上的物體。

對(duì)比測(cè)試更是驚人。沒(méi)有SMP的軟臂，抓起20克物體就晃晃悠悠；硬化后的SMP臂，同樣的20克負(fù)載，末端形變微乎其微。

這種”先軟后硬“的操作策略，通過(guò)先軟著貼上去，再硬著舉起來(lái)，完美解決了軟體機(jī)器人適應(yīng)性強(qiáng)但負(fù)載弱的經(jīng)典難題。

03.

實(shí)戰(zhàn)演練：2米深水池里的“海洋清潔工”

光在實(shí)驗(yàn)室里秀肌肉不算本事，團(tuán)隊(duì)直接把抓取器裝到了章魚(yú)啟發(fā)式向上運(yùn)輸機(jī)器人OUT-Robot上。它的外殼是硅膠軟殼+剛性骨架的復(fù)合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有水泵和電磁閥控制系統(tǒng)。六條機(jī)械臂既是抓手也是腿。

具有可變剛度夾爪的 OUT-Robot 的設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)在在2米深的實(shí)驗(yàn)室水池里搞了一場(chǎng)水下大掃除。場(chǎng)景設(shè)置得相當(dāng)?shù)筱@，底部壓著板材，上面堆著扇貝、海參、鋁型材、塑料瓶，最外層罩著廢棄漁網(wǎng)，還用石頭壓住。這要是派潛水員下去，得折騰半天。

OUT-Robot的操作行云流水。

首先，機(jī)械臂切換到模式 VI，I六臂齊出掀開(kāi)漁網(wǎng)（約0.9克）；隨后，切模式IV，四臂抓起塑料瓶轉(zhuǎn)移；接著再切回模式VI，采集海參和扇貝；之后切換到吸盤(pán)模式，無(wú)損抓取易碎板材；隨后，六臂模式搬運(yùn)鋁型材；最后，四臂+吸盤(pán)雙模式，搞定表面光滑的約500克重啤酒瓶。

機(jī)械臂在復(fù)雜水下環(huán)境中集成多模態(tài)抓取和快速剛度變化的能力

全程無(wú)需上浮換氣，抓取器在軟硬狀態(tài)間無(wú)縫切換，吸盤(pán)的負(fù)壓吸附和臂的包裹抓取協(xié)同作戰(zhàn)。

論文特別強(qiáng)調(diào)，這套系統(tǒng)能處理的物體跨度極大。從不到1克的輕小碎片，到超過(guò)500克的重型固體廢物，動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)超傳統(tǒng)水下抓手。

04.

靜音送貨：浮力驅(qū)動(dòng)的“拾取-漂浮”革命

如果說(shuō)快速剛度調(diào)節(jié)是“手”的進(jìn)化，那OUT-Robot的運(yùn)輸模式就是“腳”的顛覆。

傳統(tǒng)水下機(jī)器人靠螺旋槳或噴水推進(jìn)，噪音大、能耗高，還會(huì)攪起泥沙嚇跑海洋生物。OUT-Robot反其道而行，用浮力驅(qū)動(dòng)+機(jī)械臂爬行的雙模態(tài)移動(dòng)。

第一招：飄著走，零噪音上浮

抓取物體后，向軟殼內(nèi)注入空氣增加浮力，機(jī)器人就像潛水艇一樣被動(dòng)上浮，完全不需要推進(jìn)器。實(shí)測(cè)5秒上浮40厘米，悄無(wú)聲息。

第二招：爬著走，六臂當(dāng)腿

光靠漂不夠，海底得能爬。OUT-Robot的六條臂還能當(dāng)腿用。任意5條臂同時(shí)彎曲到最大角度時(shí)釋放壓力，機(jī)器人就會(huì)朝唯一沒(méi)彎曲的那條臂所指方向移動(dòng)。由于六條臂分布在不同方向，通過(guò)控制不同臂的彎曲組合，就能實(shí)現(xiàn)水下全方位爬行。實(shí)測(cè)沿固定方向55秒爬行70厘米。

連續(xù)作業(yè)：3次循環(huán)，零能耗上升

真正考驗(yàn)實(shí)力的是連續(xù)向上運(yùn)輸測(cè)試：減壓下沉→游到目標(biāo)上方→抓取→充氣上浮→重復(fù)3次，全程無(wú)需人類(lèi)干預(yù)。

更妙的是，抓取和推進(jìn)系統(tǒng)物理隔離。當(dāng)六臂鎖定物體后，電磁閥會(huì)把機(jī)械臂與液壓回路切斷，水泵全力負(fù)責(zé)浮力調(diào)節(jié)，互不干擾。這種“脈沖驅(qū)動(dòng)，零保持”的策略，讓整個(gè)作業(yè)循環(huán)的能耗極低：軟化階段約75焦耳，峰值功率57.6瓦，持續(xù)1.3秒，浮力激活僅約10焦耳，上升過(guò)程則完全零能耗。

相比連續(xù)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)方案，這種“干活時(shí)耗電，飄著時(shí)省電”的模式，為生態(tài)敏感的海洋修復(fù)任務(wù)提供了可持續(xù)解決方案。

05.

從實(shí)驗(yàn)室到深海：還有多遠(yuǎn)？

當(dāng)然，這還是個(gè)實(shí)驗(yàn)室原型。論文坦誠(chéng)指出了局限：空氣浮力系統(tǒng)的可壓縮性限制了作業(yè)深度，目前只能在0-50米的近岸淺水區(qū)使用。

不過(guò)團(tuán)隊(duì)表示，這種特定的應(yīng)用場(chǎng)景反而讓它成為重型深海ROV的靜音搭檔。也就是說(shuō)，在生態(tài)敏感的淺水區(qū)執(zhí)行精細(xì)作業(yè)，深海大機(jī)器干不了的活，交給這個(gè)章魚(yú)小弟。

未來(lái)的升級(jí)方向也很清晰。集成水下計(jì)算機(jī)視覺(jué)，讓機(jī)器人自己識(shí)別物體并選擇抓取模式；在吸盤(pán)里加入觸覺(jué)傳感器，在渾濁水域驗(yàn)證吸附質(zhì)量；甚至集群部署，多個(gè)OUT-Robot協(xié)同完成分布式清理任務(wù)。

想象一下，未來(lái)的近海養(yǎng)殖區(qū)，一群“電子章魚(yú)”悄無(wú)聲息地游弋，撿起海底垃圾，托起受傷的海龜，修復(fù)被漁網(wǎng)纏住的珊瑚，沒(méi)有噪音，沒(méi)有污染。這個(gè)水下機(jī)器人，或許將成為守護(hù)海洋的新工具。

論文鏈接：https://spj.science.org/doi/full/10.34133/cbsystems.0528