水下潜水服昆虫机器人:突破性技术实现陆地与水下无缝移动

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在机器人技术和生物科学的交叉领域,研究人员最近取得了一项突破性进展:开发出了一种可穿戴潜水服的昆虫机器人,这种机器人能够在水下环境中长时间生存和移动。这一创新技术不仅扩展了昆虫机器人的作业范围,还为搜救、管道检查等复杂任务提供了新的解决方案。本文将深入探讨这一技术的原理、设计理念以及其在实际应用中的潜力。昆虫机器人是一种将生物昆虫与电子控制系统结合的混合体,利用昆虫的生物能力与机器的功能,实现远程控制其运动。传统的昆虫机器人主要用于陆地环境,其作业范围受到宿主生理需求的限制,例如氧气和温度条件。然而,许多实际应用场景,如搜救任务和基础设施检查,往往涉及到水域或半水域环境。

因此,开发能够在水下环境中运行的昆虫机器人成为亟待解决的问题。为了实现这一目标,研究人员设计了一种可穿戴的潜水服,该潜水服集成了微型氧气生成模块和柔性防水外壳,能够持续供应氧气并隔离周围的水。通过将这种潜水服安装在蟑螂身上,研究人员成功使其在缺氧环境中生存和作业,转化为一种两栖机器人,能够在陆地和水下环境中运行。这种潜水服能够维持呼吸和运动长达三小时,为在极端、封闭环境中进行长时间探索提供了可能性。潜水服的设计包括几个关键组件。首先,氧气生成模块利用过氧化氢和二氧化锰的催化反应,产生氧气并维持昆虫的正常呼吸功能。

这种反应在中性条件下进行,产物仅为水和氧气,确保了安全性。为了防止化学物质泄漏,氧气生成器采用了微孔膜,允许气体通过但阻止液体渗出。此外,柔性外壳包裹昆虫的腹部,防止水进入呼吸系统,同时保持昆虫的自然运动能力。在实际应用中,这种潜水服装备的昆虫机器人表现出了出色的性能。在水下环境中,它们能够保持活动和对外部电刺激的响应长达两到三小时。相比之下,未装备潜水服的昆虫在水下仅能存活几分钟。

此外,这些机器人能够在陆地和水下环境中进行用户诱导的进出水操作,展示了持续可控性和生理活动的维持。在运动性能方面,潜水服装备的昆虫机器人在陆地上的平均前进速度为87.5毫米/秒,转向速度为58.6°/秒(左转)和58.1°/秒(右转)。在水下环境中,由于水的阻力增加,前进速度降低至78.4毫米/秒,转向速度分别降低至35.2°/秒(左转)和28.2°/秒(右转)。这种性能下降主要归因于水下的流体阻力增加,特别是转向时由于几何和流体动力学因素导致的速度损失更为显著。长期水下性能测试表明,昆虫机器人的运动活动在三小时内逐渐减弱,主要原因是生理疲劳和刺激习惯化。前进速度从5分钟时的78.4毫米/秒降至3小时后的52.3毫米/秒,右转角速度从27.5°/秒降至10.7°/秒,左转角速度从34.6°/秒降至14.1°/秒。

尽管存在速度下降,但与之前的研究相比,潜水服装备的昆虫机器人在水下仍然保持了较高的运动速度,表明其在水下环境中的路径控制能力。此外,研究人员还评估了昆虫机器人在模拟危险环境中的适应性。在一个1.7米长的隧道中,隧道内部交替设置了二氧化碳区和水区,模拟了典型的环境威胁。未装备潜水服的昆虫在二氧化碳区域内迅速失去活动能力,而在水区域内45秒内完全失去活动能力。相比之下,装备潜水服的昆虫机器人能够保持正常步态,成功穿越整个隧道,展示了在联合二氧化碳暴露和水下浸没环境中持续呼吸和运动的能力。在狭窄水下空间中,研究人员还评估了昆虫机器人的机动能力。

通过将控制器和电池植入昆虫体内,形成完全植入式机器人配置,消除了背包模块的外部凸起,使其能够通过仅2厘米高的狭窄通道。这种内部配置不仅改善了稳定性,还防止了在狭窄空间或不平整水下地形中外部部件的卡住或脱落。这一研究展示了潜水服技术如何使昆虫机器人能够在陆地和水下环境中运行,扩展了其作业范围,并保持了运动能力。这种创新技术为未来在复杂和危险环境中部署昆虫机器人提供了新的可能性,例如搜救任务、管道检查和其他需要在多种环境中运行的任务。随着技术的进一步发展,潜水服装备的昆虫机器人有望在更广泛的应用领域中发挥重要作用。 。