水下潜水服穿戴式昆虫机器人:突破性技术实现陆地与水下无缝移动
本文深入探讨了最新研究成果,即通过为昆虫设计专用潜水服,使其能够在水下长时间生存并实现陆地与水下环境的无缝切换。这项技术突破了传统生物机器人的局限性,为搜救、管道检测等复杂任务提供了新的解决方案。
在机器人技术领域,生物机器人一直是研究的热点之一。传统的生物机器人通过将电子控制器与活体昆虫结合,利用昆虫的生物能力与机械设备的功能相结合,实现远程控制昆虫的运动。然而,这些生物机器人的运行环境受到宿主生理需求的限制,例如最佳氧气和温度水平。特别是对于陆生昆虫,如蟑螂,它们无法在水下吸收氧气,因此无法在水下环境中运行。然而,现实中的搜救或基础设施检测场景往往包括水坑、洪水区或其他部分浸水区域。因此,开发能够在水下短暂浸没并移动的生物机器人,同时保持正常代谢活动,是一个迫切的需求。
为了解决这个问题,研究人员开发了一种可穿戴的潜水服,专门为陆生昆虫设计。这款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。通过为马达加斯加刺蟑螂(Gromphadorhina portentosa)穿上这种潜水服,研究人员使其能够在缺氧环境如水下生存并运行,从而成为一种两栖生物机器人,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3小时,为在极端、封闭环境中进行长时间探索提供了可能性。潜水服的设计包括三个主要组件:氧气生成器、柔性防水外壳和氧气输送管。氧气生成器利用过氧化氢(H2O2)溶液和二氧化锰(MnO2)催化剂的化学反应,产生氧气。
这种反应在中性条件下进行,产物仅为水和氧气。为了确保氧气的稳定释放,MnO2被沉积在高吸附性的亲水性纤维素海绵上,防止气体积累和大气泡的形成。氧气生成器的结构设计确保了化学物质不会泄漏,只有氧气能够通过微孔膜释放到外部壳体中。潜水服的外壳由柔性树脂制成,能够包裹蟑螂的腹部,保持自然运动并适应个体大小的差异。外壳的几何形状基于蟑螂腹部的自然形态,确保最小化对蟑螂运动的影响。氧气输送管将氧气从外壳输送到蟑螂的胸部气门,确保氧气的有效输送和水的隔离。
通过这种设计,蟑螂能够在水下保持正常的呼吸和运动功能。研究人员还进行了水密性测试,确保潜水服在长时间测试和机械变形下不会出现漏水。通过将水敏感试纸放置在潜水服内部,研究人员确认在30分钟的测试中没有出现水渗入的情况。此外,潜水服还通过了多向下落测试,确保在意外机械冲击下仍能保持完整性。在不同水深下的测试中,潜水服也表现出良好的防水性能,确保蟑螂在水下环境中能够正常生存和运动。在水下环境中,潜水服穿戴的生物机器人展现了出色的运动能力。
在陆地上,这些机器人能够以平均前进速度87.5毫米/秒,左转角速度58.6°/秒和右转角速度58.1°/秒移动。在水下,虽然前进速度略有下降,但仍能保持78.4毫米/秒,左转和右转角速度分别下降到35.2°/秒和28.2°/秒。这种速度下降主要归因于水下的流体阻力增加。研究人员还发现,在水下环境中,蟑螂的足爪会紧紧抓住底物,以抵抗浮力和水流的干扰,从而保持平衡。为了验证潜水服的功能,研究人员在模拟危险环境中进行了测试。在一个1.7米长的隧道中,隧道内部包含二氧化碳区域和水区域。
未穿戴潜水服的生物机器人在二氧化碳区域内迅速失去活动能力,而在水区域内也无法生存超过45秒。然而,穿戴潜水服的生物机器人能够成功穿越整个隧道,保持正常的运动功能。此外,研究人员还在户外池塘中测试了机器人的穿越能力,确认其能够在2厘米高的狭窄缝隙中移动,展示了在复杂水下环境中的适应能力。这项研究不仅为生物机器人的发展提供了新的方向,也为搜救、管道检测等领域提供了新的解决方案。通过结合生物适应性和工程保护,这种两栖生物机器人能够在极端、封闭环境中进行长时间探索,展现了巨大的应用潜力。未来,随着技术的进一步发展,这种潜水服可能会被扩展到其他陆生昆虫平台,如蝗虫和甲虫,进一步扩大其应用范围。
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