作者:顾春 来源:人民日报 发布时间:2021/3/29 9:33:15
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之江实验室高级研究专员李国瑞——
让仿生鱼游向万米深海(科技自立自强·青年科学家)

 

之江实验室高级研究专员李国瑞的科研之路,和仿生鱼紧紧连在一起。从提出有意思的创意,到成功通过海试,这条“鱼”终于“游”向了深海。他说,坚持到现在,是科研的趣味、成就感、喜悦感支撑了他。

在世界最深的马里亚纳海沟,万米海底处,一条柔软的“鱼”在轻轻扑翼。这条仿生鱼,源自李国瑞10年前的创意。那时,他还是一名大学生。如今,他已是浙江杭州之江实验室智能机器人研究中心高级研究专员。这条“鱼”,也“游”向了深海,“游”上了《自然》杂志封面。

创新,让软体机器人一步步游向深海

在李国瑞的手机里,记者看到10年前“鱼”的雏形:与现在这条仿生鱼类似的蓝白两翼,更短更圆,连着一个简陋的控制器。“那时,我在哈尔滨工程大学就读,学校倡导科技创新,我觉得水下机器人有意思,就在大一暑假琢磨着做了一个仿生鱼雏形,能遥控它在水里游动。”李国瑞说。

大学毕业后,李国瑞考入浙江大学航空航天学院交叉力学中心读研。导师黄志龙教授看到他做的水下机器人后,建议他跟着软体机器人与智能装备实验室的李铁风教授学习。这个实验室的科研强项之一,就是软物质和智能软材料。李铁风建议:深化这条“鱼”的性能,攻关智能软体水下机器人。

2017年,李国瑞课题组做出电驱动的水下机器人,综合性能相当好——游速快、全透明、低噪音。成果发表在《科学》子刊上,还登上浙大官网首页。

接下来朝哪个方向研究?李铁风和他一起分析:深海水压那么高,海洋生物为什么能经受住压力生存?这或许说明在深海环境,软材料比钢铁更具优势。

于是,下一步方向有了:开始研发深海软体机器人!带着这个异想天开的创意,李国瑞开始了一步步的探索。

探索,将“生命之秘”化作“机器之力”

在深海科考中,深海机器人必须有高强度的金属耐压容器保护,才能抵抗巨大的压力。

“造一条能在马里亚纳海沟游泳的机器鱼。”李国瑞兴致勃勃。马里亚纳海沟是已知的海洋最深处,低温、寂静,水压极高。

在马里亚纳海沟6000—11000米之间,生活着一种狮子鱼,它的骨骼分布在凝胶状柔软的身体中。从狮子鱼身上,李国瑞获得灵感:“要是将单薄的电子元器件离散分布,并嵌入柔软的硅橡胶中,扛住高压,不就能摆脱传统深海机器人必用的抗压外壳了吗?”

深海狮子鱼的“生命之秘”化作了“机器之力”。最后成型的仿生软体智能机器鱼,形似一条深海狮子鱼,长22厘米,翼展宽度28厘米,大小如一张A4纸。两个会扑动的侧鳍,与躯体的“肌肉”相连。当机器人电池发出的电信号经过“肌肉”时,这些“肌肉”便会舒张,通过节律性扑翅实现游动。

2019年12月,仿生鱼潜至马里亚纳海沟深处。海试影像记录显示,在马里亚纳海沟10900米的地方,仿生鱼实现了稳定扑翼驱动。2020年8月27日,仿生鱼在南海3224米深处成功游泳。

这条“鱼”能“游”上《自然》杂志封面,在于它的优势和价值。目前,深海机器人的抗压外壳成本高昂。仿生鱼又轻又灵巧,重量还不到200克,而且成本远低于现有的深海机器人。“软体机器人有很多特殊优势,对复杂环境、极端环境、恶劣环境适应性都好。”李国瑞说,未来或将看到,软体机器人深入有待探索的深海区,在珊瑚礁、水下洞穴中穿行,参与海洋监测、海洋污染清理和预防、海洋生物多样性保护等诸多工作。

坚持,在挫折的苦后体味成功的甜

圆脸,笑容阳光,背着双肩包——李国瑞出生于1990年,是一名90后科学家。

90后科学家向往什么?李国瑞向往活泼的生活,“我的生活太单调了,除了科研,还是科研。而且,做科研有很多‘痛苦’。”

“做这条仿生鱼,苦苦坚持才成功。”李国瑞原本估计一年做成功。没想到,这一做就是3年。

2018年到2019年,李国瑞经常去上海海洋大学做模拟深海试验。没想到,深海这个完全陌生的领域,给了他闷头一棍。

各种各样的失败接踵而来。元件压坏,人工肌肉不能驱动。“好好的人工肌肉,按理不怕压力。但一到深海环境,驱动就失效。是电的原因,还是机械原因?”李国瑞说,光弄清这个问题就足足折腾了一年,才确定是材料特性——高压和低温下,会导致驱动失效。

“每次深海装备试验,只能排除一个科学问题,然而试验成本却十分昂贵。每次回到课题组汇报试验的失败情形,其实都需要一定的勇气。”回忆“痛苦”的闯关经历,李国瑞忍不住笑了。

因为一条“鱼”,李国瑞的生活更“无趣”了。申请出国交流两年,去了3个月,他就赶回国继续做实验。2019年做海事试验前,他将器械理好给合作方,当天启程去外地开会。没想到路上接到电话:电池短路了。他当晚就赶回杭州,重新准备海试器件。

“但这趟折返太值了,马里亚纳海沟的万米海试,就是在这次做成功的。”李国瑞庆幸地说。

2020年8月,李国瑞和团队到南海试验,在海上漂泊多日,其间还遇到了台风。李国瑞回忆说:“船跟着浪一直摇,人都晕乎乎的。台风过后,夜里海况条件转好,我们马上开始试验。凌晨3点,我们在主控室里盯着机器鱼,看着它在海底张翼,成功完成预定游动,那一刻实在太激动了。虽然做科研有很多‘痛苦’,但‘痛苦’之后的快乐是巨大的!”

李国瑞笑着说:“做自己擅长的工作,才能做得更好。尽管做科研免不了挫败和‘痛苦’,但坚持到现在,还是科研的趣味、成就感、喜悦感支撑了我。”

 
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