【簡介：】中文片名：星空戰(zhàn)士
外文片名：The Last Starfighter
導(dǎo) 演：尼克 卡斯?fàn)?(Nick Castle (I))
主 演：凱瑟琳 瑪麗 斯圖爾特、卡梅倫 戴伊、羅伯特 普雷斯頓、馬克 阿來莫、蘭斯

中文片名：星空戰(zhàn)士
外文片名：The Last Starfighter
導(dǎo) 演：尼克 卡斯?fàn)?(Nick Castle (I))
主 演：凱瑟琳 瑪麗 斯圖爾特、卡梅倫 戴伊、羅伯特 普雷斯頓、馬克 阿來莫、蘭斯 格斯特、丹 奧赫里奇、威爾 惠頓
故事梗概

亞歷士羅根與母親住在宛如一個大家庭的拖車社區(qū)，他的專長是玩一種叫〃 星際戰(zhàn)士〃的電動玩具。有一天他打破記錄，變成該游戲的最高分記錄保持 人獲得大家的熱烈喝采，不料當(dāng)天晚上便有個外星人出現(xiàn)，告訴他那臺電 動玩具是用來訓(xùn)練星際戰(zhàn)士的模擬機，他想帶亞歷士到外太空去協(xié)助他阻 止壞人入侵銀河系。到了星際戰(zhàn)士總部后，亞歷士卻又臨時打退堂鼓而回 到地球上。然而已有邪惡的外星侵略者為了消滅所有的星際戰(zhàn)士而跟蹤他 回到地球上，為了保衛(wèi)地球的安全，亞歷士只好又回星際戰(zhàn)士總部。但他 卻發(fā)現(xiàn)所有的星際戰(zhàn)士都已陣亡，而他是唯一能阻止銀河系淪亡的人。

如何造一條在萬米深海自由游動的軟體機器魚？

李鐵風(fēng)及其團隊采用“以柔克剛”的策略，借鑒深海獅子魚的凝膠狀身體和骨骼分布方式，來實現(xiàn)無需耐壓外殼，便可潛入萬米深海的仿生軟體機器人，將深海的“獅子魚之力”化作“機器魚之力”，以此遨游大海。?

以下內(nèi)容引用自2021騰訊科學(xué)WE大會 李鐵風(fēng) 演講??大家好，很高興來到2021騰訊科學(xué)WE大會的現(xiàn)場。今天我想向大家分享的是我們的機器人跟星辰與大海的故事。??我想跟大家分享這么幾個事兒。一個是機器人和軟材料的一些故事，另外跟大家講一講，我們近期在萬米深海中做的一種軟體機器人。最后談一談我們對于星辰大海未來的暢想。??說到機器人，我首先想跟大家分享兩個我個人非常喜歡的故事。這兩個故事，一個是在公元前1000年《列子·湯問》，偃師獻技中的一個偶人。這個偶人在文獻記載中，由很多不同的材料，有軟的硬的材料構(gòu)成。??還有一個故事，是迪士尼與漫威拍的一個叫《超能陸戰(zhàn)隊》的電影。它是2014年的一部卡通電影，其中有一個形象，是一個這種充著氣白白胖胖，跟人有很好交互的這樣的形象。

這兩個故事，一個是我們古代的文獻的傳說，一個是我們現(xiàn)代的卡通的電影，都體現(xiàn)了我們對于機器人的一種向往。那在這兩個故事的背后，我們研究機器人發(fā)展是什么樣一個脈絡(luò)呢？從古代的機器人到各種現(xiàn)代機器人，成為社會中熱門的一個科技的詞匯，甚至開始走入到我們的日常的生活中。其實機器人已經(jīng)開始廣泛地應(yīng)用于人類的生產(chǎn)生活，以及我們對于未知世界未知領(lǐng)域的探索當(dāng)中。

如果按照功能分類，有些機器人是用于探索的，有些機器人是用于輔助和服務(wù)我們?nèi)祟惖?，機器人會拓展服務(wù)和輔助我們?nèi)祟悺?br>
那在這么多的機器人中，我們可以思考，機器人跟人和生物體，有什么樣的不同或者相同呢？機器人跟我們?nèi)祟惡蛣游镆粯樱季哂懈鞣N運動的功能，就像我現(xiàn)在站在這兒，可以手舞足蹈，甚至可以像我這樣跟大家很好地交流說話。傳統(tǒng)機器人會用電機硬質(zhì)的液壓桿或者傳動結(jié)構(gòu)來完成它的動作。而與之相比的，比如說非常可愛的寵物狗，一只德國的牧羊犬，是由身體的肌肉骨骼和軟組織構(gòu)造它的身體，將它的肌肉的行為傳遞到各種動作中。??其實在研究機器人的領(lǐng)域當(dāng)中，科學(xué)家們很希望制造一種有肌肉一樣的能力的材料（我們稱之為“人工肌肉”）來完成這個驅(qū)動的動作，并且結(jié)合這個機器人相應(yīng)的柔軟的結(jié)構(gòu)骨架，來完成整個機器人的功能。在這個方面上，我們用人工肌肉和軟體智能材料來做一些新型的機器人。

什么是軟體的智能材料？簡單來說，這些材料在受到電磁光熱等外場的刺激的時候，能夠發(fā)生響應(yīng)，能夠發(fā)生動作。這是我們設(shè)計機器人的基礎(chǔ)。??在這個設(shè)計機器人系統(tǒng)的背后，我想致敬兩位我個人也非常崇敬的著名科學(xué)家，他們分別是1965年和1991年的諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者，一個是PW Anderson，他提出一個很重要的凝聚態(tài)物理的概念“More is Different”，另外一位是法國的科學(xué)家叫做Gennes，他提出了軟物質(zhì)中的小擾動大響應(yīng)。他們在物質(zhì)科學(xué)上做出的重要的理論建樹，為將軟物質(zhì)、軟的智能材料做成人工肌肉并用于機器人提供了非常好的科學(xué)基礎(chǔ)。反過來，我們在研究軟體機器人人工肌肉的同時，也會碰到一些關(guān)于材料的基礎(chǔ)物理問題。

回過頭來，談到軟體的生物，在海中有非常奇特的、各種各樣形態(tài)各異的深海生物。我們甚至有時候說，深海的生物長得像外星生物，有一些奇特的行為和獨特的組織特征。另外深海中也有很多人類未知的現(xiàn)象。那我們可以思考，這些軟體的動物能夠很好地適應(yīng)深海的環(huán)境，我們能不能開發(fā)出像它們一樣，在深海中活得很好，自由自在地運動的機器人？這就是我們后面會向大家介紹的一些研究和故事。

其實，在機器人的研究領(lǐng)域，軟體機器人現(xiàn)在已經(jīng)是一個非常前沿而且得到大家重視的領(lǐng)域。它由軟體的材料和構(gòu)件來構(gòu)筑機器人的各種功能。隨著包括國際上很多研究機構(gòu)的發(fā)展，已經(jīng)在機器人應(yīng)用的各個領(lǐng)域上，得到了相應(yīng)的長足的發(fā)展。

怎么構(gòu)造軟體機器人？我們這么多年的研究，總結(jié)起來其實就回答了三個問題：一是怎么動，二是怎么造，三是怎么用。

怎么讓軟體的肌肉動起來？怎么用這些肌肉構(gòu)造成一個機器人的系統(tǒng)？這個機器人系統(tǒng)怎么用？10來年我們做了一些相應(yīng)的工作，最終首次實現(xiàn)讓一個軟體的機器人不需要耐壓外殼，就在馬里亞納海溝的萬米深海動了起來。

下面我就來講一講這個軟體機器人在萬米深海中是怎么回事。萬米深海中，我們的軟體機器人或者一條軟體機器魚怎么動？??我先跟大家講一講我們養(yǎng)魚的故事。我經(jīng)常把自己稱為是一個養(yǎng)機器魚的人。這里向大家展示的這幾個從水面飛躍出來的海洋魚類，它的學(xué)名叫做蝠鲼，我們通常也會把它稱之為魔鬼魚或者鰩魚。這個動物非常有意思，不像普通的魚是搖著尾巴游的，而是撲動著翅膀往前游，甚至還會飛躍出水面。

我們最開始做機器魚的仿生的時候，就參考了它的這種游動的方式。但是如果你要做像它一樣能夠很好地游動的機器魚，會遇到一個挑戰(zhàn)。蝠鲼之所以游得非常好，還能躥出水面，是因為它有很多束獨立控制的肌肉組成肌肉群來完成這些動作。大家在做設(shè)計時經(jīng)常說“Less is More”，而我們在設(shè)計軟體機器人的時候也在思考這樣一個概念，就是如果要用上百束的人工肌肉去做一個小的機器魚，這個聽起來很美，但實際上在構(gòu)造系統(tǒng)的時候會變得非常復(fù)雜，控制這一百多束肌肉會變成一場災(zāi)難。所以我們在思考，能不能用盡量少的肌肉來設(shè)計結(jié)構(gòu)，來構(gòu)造出類似于生物體這樣非常優(yōu)美的運動的行為。這個是我們在仿生魚設(shè)計中，長期以來一直在追求的一個概念。??那我們怎么來設(shè)計這個東西呢？首先我們要回答怎么動，要找一塊能夠動起來的人工肌肉。當(dāng)然很慶幸，我們找到了一種叫做介電高彈體的，用電刺激就能發(fā)生運動和響應(yīng)的類似于肌肉功能的一種材料。我們用電去控制它，讓它收縮舒張，就可以起到一個人工肌肉的效果。

那有了這塊用電來刺激的人工肌肉，你想去做一條魚，這個時候又會碰到一個挑戰(zhàn)。大家都經(jīng)常說電器不要往水里扔，因為怕漏電。而這個人工肌肉要用一個比較高的電場去刺激它才能響應(yīng)，那么想用它做條魚就可能會碰到挑戰(zhàn)。所以我們當(dāng)時提了一個很有意思的概念，我們要做的這條魚跟普通的水里游的機器人有一個很大的不同，我們這個機器人基本上只由水和高分子構(gòu)成。

大家想一想在水中的生物。比如說水母，含水量95%以上，仍然可以很好地游動。我們的機器人可不可以這樣呢？我們提了一個非常巧妙的設(shè)計思路。要防止電器在水中漏電，一般會做絕緣的處理。那么水為什么會漏電，是因為水有弱導(dǎo)電性。我們把這一個本來是缺點的事反過來想，既然水有弱導(dǎo)電性，那我們能不能把整個外邊環(huán)境中的水，作為電極的一端呢？所以在我們的機器人設(shè)計中，第一個有意思的事就是我們把整個外環(huán)境的水做成了人工肌肉中的低壓端的電極。有點像我們通常說的一端要接地，而我們這一端相當(dāng)于接水。

那我們的人工肌肉是怎么做的呢？我們的人工肌肉就是用兩層介電高彈體的薄膜，像包餃子一樣，中間夾著一層導(dǎo)電體。而這個導(dǎo)電體是一層像果凍一樣的鹽水做的果凍。我們發(fā)現(xiàn)，這種由幾乎全部由高分子和水構(gòu)成的肌肉體系，可以很好地在水中工作。所以這條魚我們開玩笑說，就是由水和高分子構(gòu)成的魚。?那它有什么有意思的事呢？大家可以來看這個視頻，這個發(fā)著熒光綠色的就是機器魚。其實機器魚本來是一個全透明的結(jié)構(gòu)，但如果不染色，在一個黑色的背景下，我們幾乎都看不見它了。染色后，大家就可以看到這樣一塊全部由水和高分子構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，通過電壓對人工肌肉施加的控制，實現(xiàn)了一個波動。

大家再來看魚，它的前緣比較厚而硬，而后緣比較軟而薄。所以它在發(fā)生這樣上下?lián)鋭拥臅r候，會發(fā)生一個在后緣上自發(fā)的波動。這個其實就很像魔鬼魚蝠鲼。所以我們用這樣一個很巧妙的設(shè)計，就用一塊幾乎由水和高分子構(gòu)成的肌肉，就用一組肌肉完成了一個撲動的過程。這是我們在做仿生魚時候的第一個工作的基礎(chǔ)，也是一個體會。??我們再來看這個視頻。大家可以想想，深海魚為什么可以在深海壓力下很好地生存？這是我們在深海中拍攝的深海獅子魚的一個場景，它們游得非常開心。我們再想，我們的軟體機器魚能在實驗室這樣潛水游泳，那么能不能到真正的大海中、到深海中去動一動呢？??如果想做這件事，就碰到了一個人類探索深海的挑戰(zhàn)。我在這里想先分享一張在物理學(xué)上極其著名的照片。這是著名的索爾維會議，上面有非常多的諾貝爾獎得主和當(dāng)時物理學(xué)的巨頭們。但在這里我今天并不是分享這些巨頭的故事，我在這里想分享這張照片中最左側(cè)的這一位，一個高個的人的故事。??他的名字叫Piccard。他當(dāng)時擔(dān)任布魯塞爾大學(xué)的校長，因此參加了這次會議。他不是一個物理學(xué)家，他做的事情是設(shè)計了人類第一次探索萬米深海的馬里亞納海溝的載人潛水器。最后是由他的兒子駕駛著這個潛水器，下到了馬里亞納海溝。1960年的“Tristie”深潛器，人類第一次下潛到馬里亞納海溝。在當(dāng)時要到萬米的深海中做駕潛，在工程上是一個巨大的挑戰(zhàn)。??大家肯定都知道在2020年，我國的奮斗者號，也成功地載著潛航員到了馬里亞納海溝萬米的深海。奮斗者號現(xiàn)在的電子設(shè)備包括機械控制，各方面的傳感器都日新月異，比60年前都厲害得多了。但是我們可以看到，它們其實有一個結(jié)構(gòu)上的技術(shù)是相同的——它們都是用一個硬質(zhì)的耐壓殼體，來抵抗深海極高的壓力。也就是說，深海探索有一個重要的挑戰(zhàn)，就是在深海中有極高的壓力。你要用一個堅硬的鈦合金外殼，來保護人或者保護這些敏感的電子器件。

那我們再回頭來看看深海中的魚，它們并不需要什么耐壓殼。在世界上現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)深海魚的最深的記錄是8700多米，是這一種叫做深海獅子魚的魚類。它們很開心很快樂地生活在世界上最深的馬里亞納海溝中。所以我們作為做軟體機器人或者仿生機器人的科學(xué)家，就開始思考有沒有可能從這種深海魚中獲得一些啟發(fā)和靈感，來設(shè)計一種特殊的機器人。我們也不要耐壓殼，就可以自己適應(yīng)這個萬米深海中的壓力。

非常有幸，在2017年的時候，我們跟合作單位中科院深海所捕捉到了這種深海獅子魚。最讓我振奮和驚訝的是，當(dāng)時捕捉獅子魚的船員告訴我，這條魚一撈上來之后，它外面的組織開始慢慢融化了。我是做力學(xué)研究和做結(jié)構(gòu)研究的，這件事一下就激起了我的興趣。很快我們就對這條獅子魚采樣，做了一個CT掃描。我們發(fā)現(xiàn)這個魚很有意思。??大家看這個魚，它通體沒有皮膚和肌肉，不是明顯分離的。它的整個外觀就像是一個果凍凝膠，這塊果凍凝膠包裹著內(nèi)部的骨頭。它的魚骨頭更有意思，跟普通的淡水魚和淺水魚不一樣，頭骨和它的骨頭都是細(xì)碎分散的。

當(dāng)然深海獅子魚能夠適應(yīng)深海壓力，還有很多生物和化學(xué)方面的因素，還有待大家進一步地去探索。但是要設(shè)計機器人或者設(shè)計力學(xué)器件的功能器件的話，我們就在思考這種把硬質(zhì)的骨分散在凝膠狀的組織中的概念，是否能指導(dǎo)我們來做一些有意思的設(shè)計。在深海里，我們的電池和芯片很怕壓力，我們能不能把各種電路也分散融在一塊像果凍一樣的凝膠里，讓它適應(yīng)壓力？果然我們從力學(xué)上找到了答案。

如果我們把各種電子器件按照合理的方式分散或者分層，我們可以很好地調(diào)制，當(dāng)它融在一個軟基質(zhì)中，進水壓力一上來，它的界面上的應(yīng)力不至于過大。大家知道如果界面上的應(yīng)力過大，對于電子器件這是災(zāi)難性的，因為它會脫層，一旦脫層，各種電子器件的功能也就喪失了。??所以我們當(dāng)時有一個特別大的發(fā)現(xiàn)，如果我們很好地來設(shè)計這些電子器件，讓它們?nèi)谠谝粔K軟膠質(zhì)里，就可以讓驅(qū)動機器人的電子器件電池很好地適應(yīng)壓力。所以非常成功地，我們在2019年的時候第一次用一個機器魚的方式，沒有任何耐壓外殼，下到了馬里亞納海溝的10,900米的深海。這是人類首次在沒有耐壓外殼的情況下，將一個軟體機器人在馬里亞納海溝中進行了驅(qū)動。當(dāng)然我們的文章也發(fā)表在了 Nature 今年的3月份的封面。??我現(xiàn)在手里拿著的，就是我們在馬里亞納海溝萬米深海實驗的軟體機器魚。大家可以看到，它通體就是像一個凝膠的狀態(tài)，看不到它有任何的耐壓外殼。因為它的電子器件電池控制芯片，都已經(jīng)融在了這一塊像果凍一樣的凝膠當(dāng)中。大家再來看它有一對翅膀，這一對翅膀就是由人工肌肉來驅(qū)動的。??大家看到的這個上面的黑色的部分，就是我們用來做驅(qū)動的人工肌肉的薄膜。在電壓的驅(qū)動和控制下，它會讓這個翅膀發(fā)生上下的拍動。這種上下的拍動就會推進機器魚向前游動。所以這條機器魚雖然小，但是可以完全自己來適應(yīng)萬米深海的壓力。這是一個力學(xué)和機械多個學(xué)科甚至包括還有深海生物的研究團隊們一起合作的結(jié)果。

總結(jié)來說，我們的機器魚為什么到了深海里能夠游得很好動得很好，無外乎就兩個原因：

第一，心腦不壞。所謂心腦不壞，就是我們用這種分散融合的概念保護了電池、芯片和各種各樣的電路。
第二，肌肉不僵。我們用來驅(qū)動機器人的人工肌肉，在高壓和低溫下依然可以保持很好的彈性，用電壓很好地驅(qū)動。??當(dāng)然，在這背后我們其實是做了大量的實驗。我們設(shè)計了一個壓力裝置來模擬深海的壓力。我們的機器魚，為了能夠去馬里亞納海溝動那幾分鐘或者幾個小時，它不停地在這個壓力的罐子里轉(zhuǎn)了上萬圈。我們做了大量的實驗來驗證它在高壓下不會有問題。

現(xiàn)在，我們的機器魚不要耐壓外殼，就可以很可愛地跟各種各樣的作業(yè)機器人配合。比如說我們在南海3000多米的時候，跟一個機械臂，一個作業(yè)平臺配合。它可以拎著我們的機器魚，把我們釋放出來，我們慢慢地繞著它游。我們也可以在一個深水的湖中，貼著底去巡查湖底。所以現(xiàn)在機器魚可以適應(yīng)各種各樣的場景的工作。

我們的這種設(shè)計方法，也可以設(shè)計各種各樣的電池芯片，不要耐壓外殼就可以適應(yīng)壓力。當(dāng)然，我們的遠(yuǎn)期的目標(biāo)是希望能夠用機器人和這樣的平臺，組成一類新型的潛水器，把它做成像積木一樣的模塊化，讓它在深海中進行探索。

最后我想跟大家分享的是我們在下一步想做的計劃。我們的機器人想做成群組，讓它像深海的獅子魚做成魚群一樣，在水底下游動去探索。

另外大家可能會問，我們是航空航天學(xué)院的，做深海魚還有沒有什么別的計劃。那么我在這里想分享給大家一個星辰大海的故事。

我們的力學(xué)的老祖先伽利略，發(fā)現(xiàn)了木星的一個衛(wèi)星叫木衛(wèi)二：“歐羅巴/Europa”。我們現(xiàn)在在做一個大膽的暢想。木衛(wèi)二表面是冰層，而下面有大量液態(tài)水海洋，有很多專家認(rèn)為這是太陽系中一個有可能適宜生命生存的環(huán)境，大家對它的探索的興趣非常濃厚，但要去探索它有非常大的挑戰(zhàn)：一是它離我們非常遠(yuǎn)，大概是地球到火星距離的近6倍；二是它的外殼很硬，有一個冰層，下面的海水很深。??我們大概估算了一下木衛(wèi)二深海中的壓力。它的海洋有80公里深，是馬里亞納海溝的8倍。但是木衛(wèi)二可能的重力加速度卻只有地球的近1/8，這意味著它的深海中的壓力有可能跟馬里亞納海溝接近。也就是說，我們設(shè)計的這種不怕壓力，自己可以適應(yīng)壓力的軟體機器人，有可能能夠在這種探索中做一些事情。這是一個對于未來的大膽的設(shè)想，現(xiàn)在還處于在設(shè)計和概念的階段。怎么樣有可能把我們這種軟體的機器人，應(yīng)用到星球或者深空的探索中，尤其是對于一些天體的深海探索中。??最后，用一個很有意思的視頻跟大家共勉。這是我們在南海做實驗的時候的一個視頻，最左邊是我們的軟體機器人的小魚，中間是一只非常漂亮的深海蝦，最右邊是傳統(tǒng)的機械臂。我們也想用這個視頻激勵我們的團隊，也激勵大家探生命之秘，助機器之力。

謝謝大家！