【簡介：】中文片名：星空戰(zhàn)士
外文片名：The Last Starfighter
導 演：尼克 卡斯爾 (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 演：尼克 卡斯爾 (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。?

以下內容引用自2021騰訊科學WE大會 李鐵風 演講??大家好，很高興來到2021騰訊科學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。其實機器人已經開始廣泛地應用于人類的生產生活，以及我們對于未知世界未知領域的探索當中。

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我們人類的，機器人會拓展服務和輔助我們人類。

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？機器人跟我們人類和動物一樣，都具有各種運動的功能，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的液壓桿或者傳動結構來完成它的動作。而與之相比的，比如說非?？蓯鄣膶櫸锕?，一只德國的牧羊犬，是由身體的肌肉骨骼和軟組織構造它的身體，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域當中，科學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”）來完成這個驅動的動作，并且結合這個機器人相應的柔軟的結構骨架，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，能夠發(fā)生動作。這是我們設計機器人的基礎。??在這個設計機器人系統(tǒng)的背后，我想致敬兩位我個人也非常崇敬的著名科學家，他們分別是1965年和1991年的諾貝爾物理學獎的獲得者，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家叫做Gennes，他提出了軟物質中的小擾動大響應。他們在物質科學上做出的重要的理論建樹，為將軟物質、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基礎。反過來，我們在研究軟體機器人人工肌肉的同時，也會碰到一些關于材料的基礎物理問題。

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

怎么構造軟體機器人？我們這么多年的研究，總結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。大家在做設計時經常說“Less is More”，而我們在設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，但實際上在構造系統(tǒng)的時候會變得非常復雜，控制這一百多束肌肉會變成一場災難。所以我們在思考，能不能用盡量少的肌肉來設計結構，來構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計中，長期以來一直在追求的一個概念。??那我們怎么來設計這個東西呢？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，那么想用它做條魚就可能會碰到挑戰(zhàn)。所以我們當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，中間夾著一層導電體。而這個導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構，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成的結構，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計，就用一塊幾乎由水和高分子構成的肌肉，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，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時物理學的巨頭們。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的這一位，一個高個的人的故事。??他的名字叫Piccard。他當時擔任布魯塞爾大學的校長，因此參加了這次會議。他不是一個物理學家，他做的事情是設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，它們其實有一個結構上的技術是相同的——它們都是用一個硬質的耐壓殼體，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，來設計一種特殊的機器人。我們也不要耐壓殼，就可以自己適應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。我是做力學研究和做結構研究的，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碎分散的。

當然深海獅子魚能夠適應深海壓力，還有很多生物和化學方面的因素，還有待大家進一步地去探索。但是要設計機器人或者設計力學器件的功能器件的話，我們就在思考這種把硬質的骨分散在凝膠狀的組織中的概念，是否能指導我們來做一些有意思的設計。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，讓它適應壓力？果然我們從力學上找到了答案。

如果我們把各種電子器件按照合理的方式分散或者分層，我們可以很好地調制，當它融在一個軟基質中，進水壓力一上來，它的界面上的應力不至于過大。大家知道如果界面上的應力過大，對于電子器件這是災難性的，因為它會脫層，一旦脫層，各種電子器件的功能也就喪失了。??所以我們當時有一個特別大的發(fā)現(xiàn)，如果我們很好地來設計這些電子器件，讓它們融在一塊軟膠質里，就可以讓驅動機器人的電子器件電池很好地適應壓力。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動。當然我們的文章也發(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，都已經融在了這一塊像果凍一樣的凝膠當中。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，就是我們用來做驅動的人工肌肉的薄膜。在電壓的驅動和控制下，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萬米深海的壓力。這是一個力學和機械多個學科甚至包括還有深海生物的研究團隊們一起合作的結果。

總結來說，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，用電壓很好地驅動。??當然，在這背后我們其實是做了大量的實驗。我們設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)在機器魚可以適應各種各樣的場景的工作。

我們的這種設計方法，也可以設計各種各樣的電池芯片，不要耐壓外殼就可以適應壓力。當然，我們的遠期的目標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，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，我們設計的這種不怕壓力，自己可以適應壓力的軟體機器人，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想，現(xiàn)在還處于在設計和概念的階段。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！