“机器小鱼”勇探深海无惧高压丨哈工程大学在深海软体机器人领域取得突破

在高压、无光、幽暗的深海世界，人类想要近距离一探究竟，往往要派出体形庞大、轰鸣作响的“钢铁巨兽”。如今，一条身长仅21.5厘米、体重不足1斤的“软体小鱼”，却能轻松钻行珊瑚礁间，贴着海底生物群落悄然巡游——它就是哈尔滨工程大学船舶工程学院李国瑞教授课题组最新研制的耐高压电磁驱动软体机器鱼DeepTrack。

近日，这一研究成果发表在国际机器人领域权威期刊《Journal of FieldRobotics》。论文第一作者为学院王豪副教授，通讯作者为李国瑞教授。

为什么在深海要“以柔克刚”？

深海探索，向来是科技硬实力的“试金石”。深海环境堪称“苛刻三重奏”：压力高达数十兆帕、常年不见天日、地形复杂非结构化。

传统刚性潜水器潜入深海，通常必须“全副武装”——依靠厚重的金属耐压舱抵御水压，借助螺旋桨推进。这样的设计虽然耐用，却也有体积庞大、噪声明显、机动受限等问题。更重要的是，当它靠近脆弱的珊瑚礁、生物群落或复杂地形时，螺旋桨搅动的水流和轰鸣的噪声，往往会让敏感的深海生物“敬而远之”，观测效果大打折扣。

与之形成鲜明对比的是，自然界中的深海生物却以一身“柔软”从容应对。这给予科研人员重要启发：能不能让机器也“以柔克刚”？

软体机器人天生具有柔顺、安全、低噪声等优点，适合贴近珊瑚礁和生物群落开展精细观测。但是，一个棘手的问题摆在面前——现有的软体机器鱼，往往难以同时兼顾耐高压、三维灵活机动和自主感知的三重能力。

李国瑞教授课题组迎难而上，给出自己的答案：他们创新性地将驱动机构设计为与外部压力变化相对独立的电磁驱动形式，再通过柔性鱼体、双鳍调姿和机载视觉，构建出一套完整的水下运动平台。

这条“赛博小鱼”整机质量仅475克、体长21.5厘米，无须设置厚重的刚性耐压舱，就能在高压环境中自由穿行。

小小“鱼”身藏着“大学问”

别看DeepTrack个头小，它的“五脏六腑”却暗藏玄机。

全身柔软，无惧高压。鱼体采用硅胶弹性结构，电池、相机和控制板均经过耐压封装，并用固体浮力材料完成配平。尾鳍和背鳍由轻质材料成形，驱动系统不包含任何舵机、密封件和机械传动结构——这意味着它没有传统机械装置常见的磨损和密封泄漏隐患。能源、计算、感知和推进模块被集中布置在21.5厘米长的本体内，让“小鱼”可以自如地钻入狭窄空间。

三鳍协作，游动自如。驱动单元以电磁方式驱动柔性尾鳍摆动，产生前进动力；背鳍负责垂直方向的运动控制；左右胸鳍像一双“平衡手”，在游动过程中维持姿态稳定。

在7.4伏电压、2.5赫兹频率下，驱动单元可产生38.2毫牛推力；即便在高压环境试验中，尾鳍峰值速度仍可达每秒65厘米，证明电磁驱动在压力升高后依然保持稳定输出。

“眼睛”盯住目标，“大脑”实时决策。机载计算平台以YOLOv5和MobileNetV3为基础完成目标识别与定位，并在NCNN框架下进行FP16推理，实际运行帧率约每秒15帧，端到端感知延迟约100毫秒。通俗地说，这条“小鱼”能实时“看见”目标，迅速“想明白”该往哪里游，灵活调整航向和推进频率。

实验室水池实验给出亮眼数据：机器鱼最高游速达每秒5.78厘米，约合每秒0.27个体长；在动态轨迹跟踪中，它能根据目标在图像中的位置，连续修正航向和推进频率——S形轨迹的均方根误差仅7.95厘米，约0.37个体长；O形轨迹的均方根误差为10.84厘米，约0.50个体长。值得一提的是，在对接实验中，机器鱼在没有任何外部定位系统的情况下，能完成连续的近距离跟随和姿态调整。

从实验室到大海，极寒与高压的双重考验

实验室里的优秀表现只是第一步，真正的考验在浩瀚海洋。

为检验平台在真实环境中的适应性，团队在近岸、寒冷水域和海上场景开展多组试验。在-2℃的潮间带环境中，DeepTrack完成了自主目标跟踪；在-1℃水域中，系统依然稳定工作。受现场浑浊水体和远距离能见度限制，该阶段采用人工在环遥操作，并在局部航点使用视觉引导，同时记录了低温、环境流和复杂背景对感知与运动的影响。

在潮间带的动态目标跟踪实验中，DeepTrack在5伏电压、2.5赫兹驱动条件下，能沿目标光源轨迹稳定游动，平均速度约每秒4.5厘米，并完成连续转向与路径跟随，验证了复杂自然水域中的运动稳定性和视觉跟踪能力。

在珊瑚礁近距离观测中，柔性推进方式的优势尽显——由于对周围水体的扰动极小，现场图像显示机器鱼可以贴近目标并保持稳定姿态。这些定性结果表明，除了路径跟踪，DeepTrack还具备搭载相机开展低扰动观察的潜力。

最严峻的挑战来自高压舱内的极限测试。研究人员进行了最高30兆帕的顺序增压试验，相当于模拟约3000米水深的静水压力。令人欣喜的是，机器鱼在各压力阶段均保持结构完整，并能完成信标跟踪。受材料压缩影响，系统在30兆帕下出现约4克至5克浮力损失，团队通过预先设置约5克正浮力进行了巧妙补偿。结果表明，这一平台在高静水压力与低温条件下，具备持续的感知能力和动态目标追踪能力。

DeepTrack的诞生，将耐压电磁驱动、柔性鱼体、三维运动控制和机载视觉集成到一套小型无缆平台中，系统验证了从实验室轨迹跟踪到开放水域任务的完整工作链路。与依赖刚性耐压舱和螺旋桨的传统方案相比，DeepTrack结构更轻、噪声更低、柔顺性更好，为深海近距离观测提供了全新的技术思路。未来，它有望在珊瑚礁生态观测、水下结构巡检、深海生物近距离研究等领域大显身手——以近乎“隐身”的柔和姿态，潜入那些人类难以抵达的幽暗深处。