海洋總面積約為3.6億平方公里，約占地球表面積的71%，平均水深約3795米，據(jù)估計(jì)全球海洋中目前生活著各種海洋生物至少有20萬(wàn)種,總生物量大約342億噸，這些生物的壽命有時(shí)候遠(yuǎn)大于人類的預(yù)期，但因?yàn)闆](méi)有太好的海底工具，人類開(kāi)發(fā)難度非常大。

 

　　例如水母這種生物，水母約有95％的水，使它們成為地球上最透明，最微妙的動(dòng)物，但剩下的5％據(jù)生物學(xué)家稱，目前已經(jīng)產(chǎn)生了重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，如綠色熒光蛋白（GFP），現(xiàn)在能被科學(xué)家廣泛用于研究基因表達(dá)，以及生命周期逆轉(zhuǎn)，可以成為對(duì)抗衰老的關(guān)鍵。水母還可能很好地?fù)碛衅渌赡芨淖兩拿孛?，但收集它們的難度非常大，這嚴(yán)重限制了人類對(duì)這種“被遺忘的動(dòng)物群”的研究。

 

　　目前海洋生物學(xué)家水下采樣機(jī)上可用的采樣工具，主要是為海洋石油和天然氣工業(yè)開(kāi)發(fā)的，并且更適合于抓住和操縱巖石和重型設(shè)備而不是果凍，這種抓手會(huì)經(jīng)常將它們粉碎成碎片，柔性成為海洋機(jī)器人抓手必須具備的條件。
 

 

　　現(xiàn)在，由哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所，John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）和紐約州立大學(xué)巴魯克學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)以超級(jí)形式提供了一種新的解決方案。柔軟的水下夾持器，使用液壓輕輕但牢固地將其類似于fettuccini的手指纏繞在一只水母上，然后釋放它而不會(huì)造成傷害。夾具詳細(xì)情況在Science Robotics上發(fā)表的一篇新論文中有所描述。

 

　　“我們的超級(jí)溫和抓手比現(xiàn)有的深海采樣裝置明顯改進(jìn)了果凍和其他柔軟的生物，否則幾乎不可能完整收集，”第一作者Nina Sinatra博士說(shuō)。“這項(xiàng)技術(shù)還可以擴(kuò)展到改進(jìn)水下分析技術(shù)，并允許廣泛研究海洋生物的生態(tài)和遺傳特征，而不會(huì)將它們從水中帶走。”

 

　　插圖展示了連接到遙控車(chē)輛的軟機(jī)器人致動(dòng)器（綠色）的設(shè)想應(yīng)用。
 

圖片來(lái)源：Sinatra et al., Sci. Robot. 4, eaax5425 (2019)

 

　　夾具的六個(gè)“指狀物”由薄而扁平的硅膠條組成，中間通道粘合到一層柔韌但更硬的聚合物納米纖維上。手指連接到矩形的3D打印塑料“手掌”上，當(dāng)它們的通道充滿水時(shí)，在納米纖維涂層側(cè)的方向上卷曲。每個(gè)手指施加極低的壓力 - 約0.0455kPA，或小于人眼瞼在其眼睛上的壓力的十分之一，相比之下，目前最先進(jìn)的軟海洋抓手，用于捕捉比水母更精細(xì)但更健壯的動(dòng)物，發(fā)揮約1 kPA。

 

　　研究人員將他們的超柔軟抓手安裝到一個(gè)特制的手持設(shè)備上，并測(cè)試了它在水箱中抓住人造硅膠水母的能力，以確定成功采集樣品所需的定位和精度，以及最佳角度以及捕獲水母的速度。然后，他們轉(zhuǎn)向新英格蘭水族館的真實(shí)物品，在那里他們使用夾子抓住“游泳月亮果凍”，“果凍脂肪”和“斑點(diǎn)果凍”三只水母，所有這些都和高爾夫球大小相當(dāng)。

 

　　夾子成功地將每只水母捕獲在裝置的手掌上，并且水母不能從手指的抓握中脫離，直到夾子減壓為止。水母在被釋放后沒(méi)有表現(xiàn)出壓力或其他不良影響的跡象，并且在出現(xiàn)磨損跡象之前，手指能夠打開(kāi)和關(guān)閉大約100次。

 

　　軟機(jī)器人夾持裝置的設(shè)計(jì)，帶有四個(gè)執(zhí)行器輪轂，插圖：不同的部件，包括可以模塊化安裝六個(gè)執(zhí)行器手掌。
 

圖片來(lái)源：Anand Varma

 

　　“海洋生物學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋找一種復(fù)制人類手部溫和性的工具，與來(lái)自難以接近的環(huán)境中的水母等微妙動(dòng)物相互作用，”共同作者David Gruber博士說(shuō)，他是生物學(xué)教授，紐約州立大學(xué)巴魯克學(xué)院的環(huán)境科學(xué)和國(guó)家地理探索者。“這種抓手是不斷增長(zhǎng)的軟機(jī)器人工具箱的一部分，它有望使水下物種收集變得更容易和更安全，這將極大地提高對(duì)數(shù)百年來(lái)研究不足的動(dòng)物的研究速度和質(zhì)量，給我們一個(gè)更全面地了解構(gòu)成我們海洋的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。“

 

　　超軟抓手是使用軟機(jī)器人進(jìn)行水下采樣的最新創(chuàng)新，Gruber和Wyss創(chuàng)始核心教員Rob Wood博士之間的持續(xù)合作。這產(chǎn)生了折紙式RAD采樣器和多功能“柔軟手指”，以收集各種難以捕獲的生物，包括魷魚(yú)，章魚(yú)，海綿，海鞭，珊瑚等。

 

　　“軟機(jī)器人技術(shù)是解決各種領(lǐng)域長(zhǎng)期問(wèn)題的理想解決方案，因?yàn)樗捎昧遂`活的材料，將傳統(tǒng)機(jī)器人的可編程性和堅(jiān)固性與前所未有的溫和性相結(jié)合，”伍德說(shuō)。未來(lái)或?qū)I(yè)以及更柔性的機(jī)器人都提供更好的解決方案。

 

　　該團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)完善超軟抓手的設(shè)計(jì)，旨在進(jìn)行研究，評(píng)估水母對(duì)抓手持有的生理反應(yīng)，以更明確地證明它們不會(huì)引起動(dòng)物的壓力。伍德和格魯伯也是施密特海洋研究所“設(shè)計(jì)未來(lái)”項(xiàng)目的聯(lián)合首席研究員，并將在2020年研究船F(xiàn)alkor即將進(jìn)行的遠(yuǎn)征中進(jìn)一步測(cè)試他們的各種水下機(jī)器人。

 

　　“在Wyss研究所，我們總是在問(wèn)，'我們?cè)鯓硬拍茏龅酶茫? Rob Wood和他的團(tuán)隊(duì)用來(lái)解決存在于開(kāi)闊海域而不是實(shí)驗(yàn)室中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的聰明才智和開(kāi)箱即用的思維給我留下了深刻的印象，這有助于大大推進(jìn)海洋科學(xué)。“Wyss研究所創(chuàng)始主任Donald Ingber表示，人們對(duì)于機(jī)器人的研究，目前還是停留在簡(jiǎn)單的應(yīng)用領(lǐng)域拓展，對(duì)于行業(yè)更加深入，對(duì)于部分領(lǐng)域的開(kāi)拓才能實(shí)現(xiàn)根本性突破，而這些，有用一個(gè)開(kāi)闊的思路是非常重要的！

 

　　該研究成果如果能夠順利降低成本，或許能在非常多的領(lǐng)域取得更廣闊的應(yīng)用前景！該項(xiàng)研究對(duì)于目前的柔性抓手，或許也能成為一個(gè)不錯(cuò)的導(dǎo)向和路徑。