11月6日，2021腾讯科学WE大会正式举行，6位全球顶尖的“天字号”科学家与我们分享了洞察宇宙“天机”的学问。
小WE姐近期将陆续放出嘉宾的原声双语字幕版视频和演讲全文，欢迎关注！点击下方可回顾已推送内容：
在机器人研究领域，软体机器人是非常前沿和重要的方向。如何造一条在万米深海自由游动的软体机器鱼？从材料选择到驱动机制，再到模仿狮子鱼应对深海压力挑战，李铁风教授在演讲中妙趣横生地解说了这项突破性研究的方方面面。这些软体机器鱼，未来除了应用于深海探索，还可能会在宇宙中拥有液态海洋的星球上大显身手。让我们跟随李教授的脚步，踏上大海星辰的征程——
以下为演讲全文：
大家好，很高兴来到2021腾讯科学WE大会的现场。今天我想向大家分享的是我们的机器人跟星辰与大海的故事。
我想跟大家分享这么几个事儿。一个是机器人和软材料的一些故事，另外跟大家讲一讲，我们近期在万米深海中做的一种软体机器人。最后谈一谈我们对于星辰大海未来的畅想。

说到机器人，我首先想跟大家分享两个我个人非常喜欢的故事。这两个故事，一个是在公元前1000年《列子·汤问》，偃师献技中的一个偶人。这个偶人在文献记载中，由很多不同的材料，有软的硬的材料构成。

还有一个故事，是迪士尼与漫威拍的一个叫《超能陆战队》的电影。它是2014年的一部卡通电影，其中有一个形象，是一个这种充着气白白胖胖，跟人有很好交互的这样的形象。
这两个故事，一个是我们古代的文献的传说，一个是我们现代的卡通的电影，都体现了我们对于机器人的一种向往。那在这两个故事的背后，我们研究机器人发展是什么样一个脉络呢？从古代的机器人到各种现代机器人，成为社会中热门的一个科技的词汇，甚至开始走入到我们的日常的生活中。其实机器人已经开始广泛地应用于人类的生产生活，以及我们对于未知世界未知领域的探索当中。
如果按照功能分类，有些机器人是用于探索的，有些机器人是用于辅助和服务我们人类的，机器人会拓展服务和辅助我们人类。
那在这么多的机器人中，我们可以思考，机器人跟人和生物体，有什么样的不同或者相同呢？机器人跟我们人类和动物一样，都具有各种运动的功能，就像我现在站在这儿，可以手舞足蹈，甚至可以像我这样跟大家很好地交流说话。传统机器人会用电机硬质的液压杆或者传动结构来完成它的动作。而与之相比的，比如说非常可爱的宠物狗，一只德国的牧羊犬，是由身体的肌肉骨骼和软组织构造它的身体，将它的肌肉的行为传递到各种动作中。 
其实在研究机器人的领域当中，科学家们很希望
制造一种有肌肉一样的能力的材料（我们称之为“人工肌肉”）来完成这个驱动的动作，并且结合这个机器人相应的柔软的结构骨架，来完成整个机器人的功能。
在这个方面上，我们用人工肌肉和软体智能材料来做一些新型的机器人。

什么是软体的智能材料？简单来说，这些材料在受到电磁光热等外场的刺激的时候，能够发生响应，能够发生动作。这是我们设计机器人的基础。
在这个设计机器人系统的背后，我想致敬两位我个人也非常崇敬的著名科学家，他们分别是1965年和1991年的诺贝尔物理学奖的获得者，一个是PW Anderson，他提出一个很重要的凝聚态物理的概念“More is Different”，另外一位是法国的科学家叫做Gennes，他提出了软物质中的小扰动大响应。他们在物质科学上做出的重要的理论建树，为将软物质、软的智能材料做成人工肌肉并用于机器人提供了非常好的科学基础。反过来，我们在研究软体机器人人工肌肉的同时，也会碰到一些关于材料的基础物理问题。
回过头来，谈到软体的生物，在海中有非常奇特的、各种各样形态各异的深海生物。我们甚至有时候说，深海的生物长得像外星生物，有一些奇特的行为和独特的组织特征。另外深海中也有很多人类未知的现象。那我们可以思考，这些软体的动物能够很好地适应深海的环境，我们能不能开发出像它们一样，在深海中活得很好，自由自在地运动的机器人？这就是我们后面会向大家介绍的一些研究和故事。
其实，在机器人的研究领域，软体机器人现在已经是一个非常前沿而且得到大家重视的领域。它由软体的材料和构件来构筑机器人的各种功能。随着包括国际上很多研究机构的发展，已经在机器人应用的各个领域上，得到了相应的长足的发展。
怎么构造软体机器人？我们这么多年的研究，总结起来其实就回答了三个问题：一是怎么动，二是怎么造，三是怎么用。
怎么让软体的肌肉动起来？怎么用这些肌肉构造成一个机器人的系统？这个机器人系统怎么用？10来年我们做了一些相应的工作，最终首次实现让一个软体的机器人不需要耐压外壳，就在马里亚纳海沟的万米深海动了起来。
下面我就来讲一讲这个软体机器人在万米深海中是怎么回事。万米深海中，我们的软体机器人或者一条软体机器鱼怎么动？
我先跟大家讲一讲我们养鱼的故事。我经常把自己称为是一个养机器鱼的人。这里向大家展示的这几个从水面飞跃出来的海洋鱼类，它的学名叫做蝠鲼，我们通常也会把它称之为魔鬼鱼或者鳐鱼。这个动物非常有意思，不像普通的鱼是摇着尾巴游的，而是扑动着翅膀往前游，甚至还会飞跃出水面。
我们最开始做机器鱼的仿生的时候，就参考了它的这种游动的方式。但是如果你要做像它一样能够很好地游动的机器鱼，会遇到一个挑战。蝠鲼之所以游得非常好，还能蹿出水面，是因为它有很多束独立控制的肌肉组成肌肉群来完成这些动作。大家在做设计时经常说“Less is More”，而我们在设计软体机器人的时候也在思考这样一个概念，就是如果要用上百束的人工肌肉去做一个小的机器鱼，这个听起来很美，但实际上在构造系统的时候会变得非常复杂，控制这一百多束肌肉会变成一场灾难。所以我们在思考，能不能用尽量少的肌肉来设计结构，来构造出类似于生物体这样非常优美的运动的行为。这个是我们在仿生鱼设计中，长期以来一直在追求的一个概念。
那我们怎么来设计这个东西呢？首先我们要回答怎么动，要找一块能够动起来的人工肌肉。当然很庆幸，
我们找到了一种叫做介电高弹体的，用电刺激就能发生运动和响应的类似于肌肉功能的一种材料。
我们用电去控制它，让它收缩舒张，就可以起到一个人工肌肉的效果。

那有了这块用电来刺激的人工肌肉，你想去做一条鱼，这个时候又会碰到一个挑战。大家都经常说电器不要往水里扔，因为怕漏电。而这个人工肌肉要用一个比较高的电场去刺激它才能响应，那么想用它做条鱼就可能会碰到挑战。所以我们当时提了一个很有意思的概念，我们要做的这条鱼跟普通的水里游的机器人有一个很大的不同，我们这个机器人基本上只由水和高分子构成。 
大家想一想在水中的生物。比如说水母，含水量95%以上，仍然可以很好地游动。我们的机器人可不可以这样呢？我们提了一个非常巧妙的设计思路。要防止电器在水中漏电，一般会做绝缘的处理。那么水为什么会漏电，是因为水有弱导电性。我们把这一个本来是缺点的事反过来想，既然水有弱导电性，那我们能不能把整个外边环境中的水，作为电极的一端呢？所以在我们的机器人设计中，第一个有意思的事就是我们把整个外环境的水做成了人工肌肉中的低压端的电极。有点像我们通常说的一端要接地，而我们这一端相当于接水。
那我们的人工肌肉是怎么做的呢？我们的人工肌肉就是用两层介电高弹体的薄膜，像包饺子一样，中间夹着一层导电体。而这个导电体是一层像果冻一样的盐水做的果冻。我们发现，这种由几乎全部由高分子和水构成的肌肉体系，可以很好地在水中工作。所以这条鱼我们开玩笑说，就是由水和高分子构成的鱼。
那它有什么有意思的事呢？大家可以来看这个视频，这个发着荧光绿色的就是机器鱼。其实机器鱼本来是一个全透明的结构，但如果不染色，在一个黑色的背景下，我们几乎都看不见它了。染色后，大家就可以看到这样一块全部由水和高分子构成的结构，通过电压对人工肌肉施加的控制，实现了一个波动。
大家再来看鱼，它的前缘比较厚而硬，而后缘比较软而薄。所以它在发生这样上下扑动的时候，会发生一个在后缘上自发的波动。这个其实就很像魔鬼鱼蝠鲼。所以我们用这样一个很巧妙的设计，就用一块几乎由水和高分子构成的肌肉，就用一组肌肉完成了一个扑动的过程。这是我们在做仿生鱼时候的第一个工作的基础，也是一个体会。 
我们再来看这个视频。大家可以想想，深海鱼为什么可以在深海压力下很好地生存？这是我们在深海中拍摄的深海狮子鱼的一个场景，它们游得非常开心。我们再想，我们的软体机器鱼能在实验室这样潜水游泳，那么能不能到真正的大海中、到深海中去动一动呢？
如果想做这件事，就碰到了一个人类探索深海的挑战。我在这里想先分享一张在物理学上极其著名的照片。这是著名的索尔维会议，上面有非常多的诺贝尔奖得主和当时物理学的巨头们。但在这里我今天并不是分享这些巨头的故事，我在这里想分享这张照片中最左侧的这一位，一个高个的人的故事。 
他的名字叫Piccard。他当时担任布鲁塞尔大学的校长，因此参加了这次会议。他不是一个物理学家，他做的事情是设计了人类第一次探索万米深海的马里亚纳海沟的载人潜水器。最后是由他的儿子驾驶着这个潜水器，下到了马里亚纳海沟。1960年的“Tristie”深潜器，人类第一次下潜到马里亚纳海沟。在当时要到万米的深海中做驾潜，在工程上是一个巨大的挑战。

大家肯定都知道在2020年，我国的奋斗者号，也成功地载着潜航员到了马里亚纳海沟万米的深海。奋斗者号现在的电子设备包括机械控制，各方面的传感器都日新月异，比60年前都厉害得多了。但是我们可以看到，它们其实有一个结构上的技术是相同的——它们都是用一个硬质的耐压壳体，来抵抗深海极高的压力。也就是说，
深海探索有一个重要的挑战，就是在深海中有极高的压力。你要用一个坚硬的钛合金外壳，来保护人或者保护这些敏感的电子器件。
那我们再回头来看看深海中的鱼，它们并不需要什么耐压壳。在世界上现在发现深海鱼的最深的记录是8700多米，是这一种叫做深海狮子鱼的鱼类。它们很开心很快乐地生活在世界上最深的马里亚纳海沟中。所以我们作为做软体机器人或者仿生机器人的科学家，就开始思考有没有可能从这种深海鱼中获得一些启发和灵感，来设计一种特殊的机器人。我们也不要耐压壳，就可以自己适应这个万米深海中的压力。
非常有幸，在2017年的时候，我们跟合作单位中科院深海所捕捉到了这种深海狮子鱼。最让我振奋和惊讶的是，当时捕捉狮子鱼的船员告诉我，这条鱼一捞上来之后，它外面的组织开始慢慢融化了。我是做力学研究和做结构研究的，这件事一下就激起了我的兴趣。很快我们就对这条狮子鱼采样，做了一个CT扫描。我们发现这个鱼很有意思。
大家看这个鱼，它通体没有皮肤和肌肉，不是明显分离的。它的整个外观就像是一个果冻凝胶，这块果冻凝胶包裹着内部的骨头。它的鱼骨头更有意思，跟普通的淡水鱼和浅水鱼不一样，头骨和它的骨头都是细碎分散的。
当然深海狮子鱼能够适应深海压力，还有很多生物和化学方面的因素，还有待大家进一步地去探索。但是要设计机器人或者设计力学器件的功能器件的话，我们就在思考这种把硬质的骨分散在凝胶状的组织中的概念，是否能指导我们来做一些有意思的设计。在深海里，我们的电池和芯片很怕压力，我们能不能把各种电路也分散融在一块像果冻一样的凝胶里，让它适应压力？果然我们从力学上找到了答案。
如果我们把各种电子器件按照合理的方式分散或者分层，我们可以很好地调制，当它融在一个软基质中，进水压力一上来，它的界面上的应力不至于过大。大家知道如果界面上的应力过大，对于电子器件这是灾难性的，因为它会脱层，一旦脱层，各种电子器件的功能也就丧失了。 
所以我们当时有一个特别大的发现，如果我们很好地来设计这些电子器件，让它们融在一块软胶质里，就可以让驱动机器人的电子器件电池很好地适应压力。所以非常成功地，我们在2019年的时候第一次用一个机器鱼的方式，没有任何耐压外壳，下到了马里亚纳海沟的10,900米的深海。这是人类首次在没有耐压外壳的情况下，将一个软体机器人在马里亚纳海沟中进行了驱动。当然我们的文章也发表在了 Nature 今年的3月份的封面。 
我现在手里拿着的，就是我们在马里亚纳海沟万米深海实验的软体机器鱼。大家可以看到，它通体就是像一个凝胶的状态，看不到它有任何的耐压外壳。因为它的电子器件电池控制芯片，都已经融在了这一块像果冻一样的凝胶当中。大家再来看它有一对翅膀，这一对翅膀就是由人工肌肉来驱动的。
大家看到的这个上面的黑色的部分，就是我们用来做驱动的人工肌肉的薄膜。在电压的驱动和控制下，它会让这个翅膀发生上下的拍动。这种上下的拍动就会推进机器鱼向前游动。所以这条机器鱼虽然小，但是可以完全自己来适应万米深海的压力。这是一个力学和机械多个学科甚至包括还有深海生物的研究团队们一起合作的结果。
总结来说，我们的机器鱼为什么到了深海里能够游得很好动得很好，无外乎就两个原因：
第一，心脑不坏。所谓心脑不坏，就是我们用这种分散融合的概念保护了电池、芯片和各种各样的电路。
第二，肌肉不僵。我们用来驱动机器人的人工肌肉，在高压和低温下依然可以保持很好的弹性，用电压很好地驱动。 
当然，在这背后我们其实是做了大量的实验。我们设计了一个压力装置来模拟深海的压力。我们的机器鱼，为了能够去马里亚纳海沟动那几分钟或者几个小时，它不停地在这个压力的罐子里转了上万圈。我们做了大量的实验来验证它在高压下不会有问题。

现在，我们的机器鱼不要耐压外壳，就可以很可爱地跟各种各样的作业机器人配合。比如说我们在南海3000多米的时候，跟一个机械臂，一个作业平台配合。它可以拎着我们的机器鱼，把我们释放出来，我们慢慢地绕着它游。我们也可以在一个深水的湖中，贴着底去巡查湖底。所以现在机器鱼可以适应各种各样的场景的工作。
我们的这种设计方法，也可以设计各种各样的电池芯片，不要耐压外壳就可以适应压力。当然，我们的远期的目标是希望能够用机器人和这样的平台，组成一类新型的潜水器，把它做成像积木一样的模块化，让它在深海中进行探索。
最后我想跟大家分享的是我们在下一步想做的计划。我们的机器人想做成群组，让它像深海的狮子鱼做成鱼群一样，在水底下游动去探索。
另外大家可能会问，我们是航空航天学院的，做深海鱼还有没有什么别的计划。那么我在这里想分享给大家一个星辰大海的故事。 
我们的力学的老祖先伽利略，发现了木星的一个卫星叫木卫二：“欧罗巴/Europa”。我们现在在做一个大胆的畅想。木卫二表面是冰层，而下面有大量液态水海洋，有很多专家认为这是太阳系中一个有可能适宜生命生存的环境，大家对它的探索的兴趣非常浓厚，但要去探索它有非常大的挑战：一是它离我们非常远，大概是地球到火星距离的近6倍；二是它的外壳很硬，有一个冰层，下面的海水很深。
我们大概估算了一下木卫二深海中的压力。它的海洋有80公里深，是马里亚纳海沟的8倍。但是木卫二可能的重力加速度却只有地球的近1/8，这意味着它的深海中的压力有可能跟马里亚纳海沟接近。也就是说，我们设计的这种不怕压力，自己可以适应压力的软体机器人，有可能能够在这种探索中做一些事情。这是一个对于未来的大胆的设想，现在还处于在设计和概念的阶段。怎么样有可能把我们这种软体的机器人，应用到星球或者深空的探索中，尤其是对于一些天体的深海探索中。  
最后，用一个很有意思的视频跟大家共勉。这是我们在南海做实验的时候的一个视频，最左边是我们的软体机器人的小鱼，中间是一只非常漂亮的深海虾，最右边是传统的机械臂。我们也想用这个视频激励我们的团队，也激励大家探生命之秘，助机器之力。
谢谢大家！
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