如果讓你設(shè)計一臺水下機(jī)器人，你會給它裝上螺旋槳，還是機(jī)械爪？

在自然界，有一種生物早就給出了滿分答案——章魚。它能輕松抓起比自身重幾十倍的獵物，又能溫柔地?fù)崦约旱穆选＿@種剛?cè)岵?jì)的神技，源自它的八條腕足，平時柔軟如綢，一觸即卷；需要發(fā)力時，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)隊設(shè)計出快速剛度調(diào)節(jié)水下抓取器，不僅實現(xiàn)了1.3秒軟化、0.8秒硬化的變態(tài)級響應(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，最大的痛點就是“慢熱”。加熱軟化要幾十秒，冷卻硬化更要命，動輒半分鐘以上。而這次，團(tuán)隊直接把切換時間壓縮到了亞秒級，速度提升了30倍以上。

01.

把海水變成散熱器：一個三層結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)魔術(shù)

傳統(tǒng)SMP驅(qū)動器為什么慢？問題出在散熱上。

想象你在冬天用熱水袋暖手，放一會兒就涼了，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。在空氣中，自然冷卻慢得像蝸牛。

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

他們設(shè)計了一個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)氣動抓手需要持續(xù)抽真空維持抓取力，這個抓取器一旦鎖定，就像凍住的章魚腕足，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”，對于需要長時間水下作業(yè)的機(jī)器人來說，簡直是續(xù)航神器。

02.

六臂章魚俠：從軟綿綿到力大無窮的變形秀

這個抓取器長什么樣？它有一個中央連接器，伸出六條仿生機(jī)械臂，每條臂上嵌著三個吸盤，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)計驗證和性能評估

六條臂的設(shè)計不是隨便定的。通過對稱布局，它可以實現(xiàn)模式II（雙臂）、模式IV（四臂）、模式VI（六臂）三種抓取形態(tài)，每個機(jī)械臂上3個吸盤排列，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。吸盤可以通過負(fù)壓產(chǎn)生吸力，增強(qiáng)抓取物體時的穩(wěn)定性。在正壓驅(qū)動下，吸盤可以主動與物體分離。

機(jī)械臂在不同狀態(tài)下性能不一。在100 kPa驅(qū)動壓力下，軟化狀態(tài)的臂能彎曲161°，像真正的章魚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4 N，相當(dāng)于能穩(wěn)穩(wěn)抓起400克以上的物體。

對比測試更是驚人。沒有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，通過先軟著貼上去，再硬著舉起來，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.

實戰(zhàn)演練：2米深水池里的“海洋清潔工”

光在實驗室里秀肌肉不算本事，團(tuán)隊直接把抓取器裝到了章魚啟發(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

研究團(tuán)隊在在2米深的實驗室水池里搞了一場水下大掃除。場景設(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；之后切換到吸盤模式，無損抓取易碎板材；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

全程無需上浮換氣，抓取器在軟硬狀態(tài)間無縫切換，吸盤的負(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500克的重型固體廢物，動態(tài)范圍遠(yuǎn)超傳統(tǒng)水下抓手。

04.

靜音送貨：浮力驅(qū)動的“拾取-漂浮”革命

如果說快速剛度調(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，還會攪起泥沙嚇跑海洋生物。OUT-Robot反其道而行，用浮力驅(qū)動+機(jī)械臂爬行的雙模態(tài)移動。

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上浮，完全不需要推進(jìn)器。實測5秒上浮40厘米，悄無聲息。

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條臂同時彎曲到最大角度時釋放壓力，機(jī)器人就會朝唯一沒彎曲的那條臂所指方向移動。由于六條臂分布在不同方向，通過控制不同臂的彎曲組合，就能實現(xiàn)水下全方位爬行。實測沿固定方向55秒爬行70厘米。

連續(xù)作業(yè)：3次循環(huán)，零能耗上升

真正考驗實力的是連續(xù)向上運(yùn)輸測試：減壓下沉→游到目標(biāo)上方→抓取→充氣上浮→重復(fù)3次，全程無需人類干預(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，零保持”的策略，讓整個作業(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，上升過程則完全零能耗。

相比連續(xù)驅(qū)動的傳統(tǒng)方案，這種“干活時耗電，飄著時省電”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.

從實驗室到深海：還有多遠(yuǎn)？

當(dāng)然，這還是個實驗室原型。論文坦誠指出了局限：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。

不過團(tuán)隊表示，這種特定的應(yīng)用場景反而讓它成為重型深海ROV的靜音搭檔。也就是說，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，交給這個章魚小弟。

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

想象一下，未來的近海養(yǎng)殖區(qū)，一群“電子章魚”悄無聲息地游弋，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，沒有噪音，沒有污染。這個水下機(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