深海观测长期面临一道“看得见却靠不近”的难题:设备进入海水后推进阻力显著增大,传统水下机器人为获取机动性往往需要更高能耗和更强动力输出,随之带来的噪声与水体扰动可能卷起海底沉积物、干扰传感器采样,甚至对海洋生物行为造成影响。
如何在更接近自然状态的条件下完成长期、连续、精准的观测,成为深海科学研究与海洋工程应用共同关注的关键问题。
这一矛盾的成因,一方面来自海洋环境的复杂性。
海水密度大、流场多变、能见度低,水下观测常受浑浊度和微小颗粒物影响;另一方面也来自装备形态与驱动方式的局限。
螺旋桨等常见推进方式在小尺度平台上效率不易提升,且容易产生局部强流与噪声,难以兼顾隐蔽性与环境友好。
与此同时,深海作业对平台的续航能力、载荷能力、可靠性提出更高要求,迫切需要在“轻量化、低能耗、低扰动”之间寻找新的技术平衡点。
基于对自然进化规律的借鉴,西北工业大学机电学院陶凯教授团队提出以水母为原型的仿生路径:水母作为古老海洋生物,适应范围广、运动效率高,体内含水比例高,能够以较低能耗实现悬浮与静音游动。
团队研制的仿生水母机器人在结构与材料上强调“贴近海水环境”,采用水凝胶等含水材料形成电极与驱动构件,通过静电液压驱动实现“脚蹼”收缩舒张,模拟水母利用涡环推进的方式完成推进与悬浮。
由于机身透明度高、运动扰动小,该装备在水体中不易被察觉,可在一定程度上降低对观测对象与周边环境的干扰。
在影响层面,这类“静默型”微型平台的价值不仅在于能动起来,更在于能稳定采集数据并参与智能化处理。
实验显示,机器人可搭载微型摄像模组并进行目标识别与跟踪,对静态目标实现快速锁定,对水中游动目标也能进行连续跟随。
这意味着其潜在用途不局限于“拍到画面”,而是向“可判断、可记录、可对比”的数据采集与分析延伸。
对珊瑚礁健康观测而言,长期、低扰动的近距离影像与环境参数(如盐度、温度、深度等)记录,有助于提升对局地生态变化的捕捉能力;对渔业养殖场景而言,实时水体监测可为养殖风险预警和精细化管理提供支撑。
面向对策层面,要推动仿生微型水下装备从实验室走向真实海域应用,仍需在系统工程上持续攻关。
其一,强化深海环境适应性,包括耐压密封、材料稳定性与抗生物附着等问题;其二,提升能量管理与续航能力,探索更高效的供能与低功耗计算方案,兼顾长期任务需求;其三,完善多传感器载荷与数据链路,在保证低扰动的同时提高数据可靠性与可追溯性;其四,形成标准化测试评估体系,在不同水域、不同流场条件下开展验证,推动关键指标从“可展示”走向“可量化、可对比、可复现”。
从前景看,深海观测正从“少量设备、短时作业”向“多平台协同、长期在位”演进。
仿生水母机器人所代表的低扰动、微型化、智能化方向,有望成为未来海洋观测体系的有益补充:既可作为近距离“观察者”进入敏感生态区,也可在特定任务中承担“数据采集者”的角色,与大型水下平台形成分层协同。
随着材料、微纳制造、嵌入式计算与水下通信等技术进一步融合,相关装备在海洋生态调查、深海资源勘探、环境评估与海洋牧场管理等领域的应用空间值得期待。
当科技发展遇上生态保护,仿生学提供了绝佳的解题思路。
这款"水中隐者"不仅代表着中国在高端海洋装备领域的创新能力,更折射出科研理念的深刻转变——从征服自然到师法自然。
正如深海探索需要保持敬畏之心,人类在开发海洋资源的同时,或许都该学会像水母一样,以最轻柔的方式与蓝色星球对话。
这种"科技向善"的探索范式,将为构建人与自然和谐共生的现代化提供重要启示。