模仿鱼类打造理想的深海潜水器

地球上 80% 以上的海洋尚未绘制地图。这在一定程度上是由于深海勘探面临的挑战，包括高压、零能见度和极冷的温度。随着人们对海洋及其资源的经济和科学兴趣的增加，研究人员正在利用活鱼的适应性特征来制造更高效、更实用的深海潜水器。

相对而言，只有少数潜水器能够到达并承受任何海洋的最低点——挑战者深渊。该裂缝估计深 35,827 ± 33 英尺，位于马里亚纳海沟南端，靠近太平洋关岛。产量低主要归因于深海潜水器的高生产和运营成本。

能够承受超深水压的潜水器有许多潜在的应用，包括救援和打捞作业;船舶设备的安装和维护;以及水下考古、电影摄影和旅游。为了解决当前潜水器设计成本过高和效率低下的问题，研究人员正在将活鱼的运动特征应用于新的深海潜水器设计，旨在提高导航、速度、机动性和推进效率，同时减少噪音和振动。

西湖大学的工程师团队于2月7日在《海洋-陆地-大气研究》杂志上发表了一篇关于深海潜水器仿生工程策略现状和面临的挑战的综述。

“在本文中，我们从历史的角度对潜水技术的发展进行了全面的回顾。我们特别强调机器人鱼型潜水器的出现，因为它们代表了潜水技术的未来方向。”西湖大学工程学院教授、该论文的高级作者崔伟成说。

早期的潜水器旨在利用二十世纪中叶的技术和材料探索深海环境。最早的潜水器具有三个明显的特点：1)载人潜水器，2)使用普通高强度钢作为耐压船体，3)使用汽油作为浮力。由此产生的飞船无法自行推进，而且又大又重且难以操纵。

随着时间的推移，更多技术的结合促进了潜水器的远程和无人操作，改善了功能，但生产和运营成本继续阻碍其广泛使用。相反，今天设计的潜水器利用固体浮力材料，促进更紧凑的设计，并利用超高强度钢和其他轻质金属来减轻潜水器的重量，同时提高船体强度、可操作性以及制造和运营成本。

“下一代潜水器将是机器人鱼型潜水器，其特点是仿生学和先进技术的融合。然而，要实现真正的机器鱼型潜水器，还需要解决许多关键技术。”崔说。

与需要螺旋桨和舵进行运动的传统潜水器相比，仿生机器人鱼型潜水器的设计看起来像并模仿真鱼的运动。具体来说，仿生机器人鱼型潜水器来回摆动，与传统潜水器相比，提高了机动性、能源效率和噪音。此外，模仿鱼类自然游泳行为的车辆对周围水域的干扰比带有螺旋桨的车辆要少。

在生产出理想的水上机器人之前，必须克服许多技术障碍。其一，仿生机器人需要模仿真鱼模块化感觉系统的传感器和系统，这需要在流体动力学、材料和人工智能等领域进行大量的跨学科研究。研究人员目前面临的两个最大挑战是在不断变化的复杂环境中保持潜水器的效率和自适应控制。

研究团队还概述了他们设计和制造实用的仿生机器人鱼型潜水器 Sea Guru I 的过程，因为文献中的大多数原型仅设计为原理验证模型。

“我们团队的下一步将是开发第二代‘Sea-Guru’系列潜水器，命名为‘Sea Guru II’，它的设计目的是在相同的深度工作，但会表现出改进的性能。然后我们可能会开发第三代“Sea Guru”系列，它可以在整个海洋深度工作。我们的最终目标是成为世界潜水技术发展的领导者。”崔说。

其他贡献者包括来自中国浙江西湖大学工程学院未来产业研究中心和浙江省沿海环境与资源重点实验室的李金宇、李伟坤、刘启萌和罗冰。

该研究得到国家重点研发计划(2022YFC2805200)、西湖大学启动经费(041030150118)和西湖大学科研资助项目(2021WUFP017)的支持。