水下潜行的昆虫机器人:突破性的水陆两栖技术

加密活动与会议

在机器人技术领域,昆虫机器人因其独特的生物-机械融合特性,近年来受到广泛关注。这些机器人通过将电子控制器与活体昆虫结合,能够执行复杂任务,如搜救、管道检查和物体运输。然而,传统的昆虫机器人在操作范围上受到宿主生理环境的限制,尤其是陆生昆虫无法在水下环境中正常工作。为了突破这一限制,研究人员开发了一种可穿戴的潜水装备,使陆生昆虫能够在水下长时间生存和移动,从而实现水陆两栖操作。昆虫机器人是一种将活体昆虫与电子设备结合的混合系统,它利用昆虫的生物能力与机械设备的功能,通过远程控制来诱导昆虫的运动。目前,基于蟑螂的昆虫机器人因其强韧性和易于控制的运动能力,被认为是最有前景的应用。

与传统的人工小型机器人相比,昆虫机器人利用昆虫自身的肌肉运动,无需电力驱动,从而实现极低的功耗。它们的小巧尺寸、适应性和强韧性使其能够穿越拥挤的环境,进入大型机器人无法进入的狭小空间。然而,昆虫机器人的操作受到宿主生理需求的限制,例如最佳氧气和温度水平。陆生昆虫如蟑螂无法吸收水中的氧气,因此无法在水下环境中正常工作。考虑到实际应用场景中,搜救或基础设施检查常常涉及水坑、洪水区或部分浸水区域,因此需要开发能够在缺氧环境中长时间工作的昆虫机器人。研究人员提出,如果能够在昆虫体上安装一个微型氧气供应装置,可能实现一种能够在陆地和水下两种环境中工作的蟑螂机器人。

蟑螂通过胸部气门直接从空气中吸入氧气。如果能够将氧气供应到这些气门,同时防止水进入,昆虫机器人可能在水下环境中也能正常工作。基于这一概念,研究人员设计了一种紧凑且自给自足的氧气供应系统,称为"潜水装备",基于控制的化学反应逐渐释放氧气,无需电子组件。利用马达加斯加刺蟑螂作为生物平台,设计了一种可穿戴的潜水装备,包括柔性防水外壳、氧气发生器和氧气输送管,使蟑螂能够在长时间浸水下生存和执行任务。潜水装备的核心是一个微型化的氧气发生模块,它通过二氧化锰催化过氧化氢溶液的分解来产生氧气。这种反应在中性条件下进行,产生的氧气通过柔性水proof外壳输送到昆虫的气门。

为了确保氧气的稳定供应,研究人员采用了多孔的纤维素海绵作为反应载体,使过氧化氢溶液均匀分布,避免气泡聚集。此外,通过在发生器盖上安装疏水性聚四氟乙烯微孔膜,确保只有氧气能够通过,防止液体泄漏。在实际应用中,潜水装备的设计需要考虑昆虫的运动能力和稳定性。研究人员发现,如果氧气发生器安装在蟑螂的背部,会增加水下运动的阻力,并提高重心,导致姿态不稳定。因此,将发生器安装在腹部后端,并用柔性外壳包裹,能够保持蟑螂的流线型体型,降低重心,确保水下行走的稳定性。外壳采用柔性树脂制成,能够适应不同个体的体型变化,同时保持自然运动能力。

氧气输送管将发生器内的氧气输送到胸部气门。由于蟑螂的前胸气门保持开放,而中胸气门保持关闭,研究人员设计了专用的连接器,确保氧气输送的密封性和防水性。前胸气门连接器采用勺形盖,能够完全覆盖气门阀,而中胸气门连接器采用细管,能够插入小孔。这些连接器不仅防止水进入呼吸系统,还确保氧气的稳定输送。潜水装备的防水性能通过浸水和机械弯曲测试进行了验证。在30分钟的浸水测试中,外壳内部的水敏试纸仅出现轻微变色,表明没有水渗入。

此外,通过多方向的掉落测试,确认装备能够承受机械冲击,蟑螂在测试后仍然活跃。在不同水深的测试中,装备在50厘米的水深下仍然保持完整,内部试纸没有变色,证明在增加的水压下没有泄漏。通过将微型过氧化氢-二氧化锰基氧气发生器、柔性外壳和专用氧气输送管结合,实现了稳定的水下呼吸和运动,同时保持自然行为。这些结果表明,潜水装备使昆虫机器人能够在水下环境中维持呼吸、防水和机械韧性。此外,这种潜水装备的概念可以扩展到其他陆生昆虫机器人平台,如蟋蟀和甲虫。这些昆虫具有相似的体型和气管呼吸系统,因此类似的装备设计可能适用。

然而,不同物种的形态、运动行为和载重能力可能带来工程挑战,例如跳跃性昆虫可能需要优化装备的重量和水动力学设计,而具有翅膀的昆虫可能需要调整外壳几何形状以避免干扰翅膀展开。在水下环境中,氧气发生器的性能和昆虫的运动能力进行了评估。通过向氧气发生器注入1.0毫升3%的过氧化氢溶液,产生了6.2±0.2毫升的氧气。在蟑螂行走时,装备内的氧气水平在8.0分钟后达到峰值,之后逐渐下降。在3小时后,氧气水平仍然保持在14.8±3.4%,足以维持昆虫的正常生理功能。在对照测试中,没有氧气供应的情况下,氧气水平在1小时内下降到6.2±2.7%,低于5%的水平会抑制昆虫活动,甚至导致死亡。

因此,氧气供应装置使昆虫机器人能够在水下环境中保持长时间的运动能力。在水下环境中,蟑螂的运动速度受到水动力阻力的影响。在陆地上,装备蟑螂的平均前进速度为87.5毫米/秒,转向速度为58.6°/秒(左转)和58.1°/秒(右转)。在水下,平均前进速度降低到78.4毫米/秒,转向速度分别降低到35.2°/秒(左转)和28.2°/秒(右转)。这种速度下降主要归因于水下运动的阻力增加。此外,由于蟑螂的腿部爪子在水下保持抓握状态,以抵抗浮力和水动力扰动,导致运动响应变慢。

在长时间水下测试中,蟑螂的运动能力逐渐下降,主要归因于生理疲劳和刺激习惯化。前进速度从78.4毫米/秒降低到52.3毫米/秒,右转角速度从27.5°/秒降低到10.7°/秒,左转角速度从34.6°/秒降低到14.1°/秒。然而,与陆地环境相比,水下环境中的运动速度仍然保持较高水平,表明潜水装备使蟑螂能够在水下环境中进行路径控制。在水下环境中,蟑螂的运动表现与陆地环境有所不同。由于水的附加质量效应,蟑螂在加速和减速时的响应时间较长。此外,蟑螂的腿部爪子在水下保持抓握状态,以抵抗浮力和旋转不稳定性。

这种持续的抓握行为可能导致运动响应变慢。与其他水陆两栖机器人相比,装备蟑螂在陆地上的运动速度达到1.1个身体长度/秒,超过了大多数水陆两栖机器人(通常低于1.0个身体长度/秒)。在水下环境中,装备蟑螂的速度达到1.0个身体长度/秒,再次超过大多数现有设计(通常低于0.8个身体长度/秒)。当与其他厘米级水陆两栖机器人相比时,装备蟑螂的角速度在陆地和水下环境中均显著高于其他设计。为了验证潜水装备的能力,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,包含二氧化碳区和水区,模拟了典型的环境威胁。

没有装备的蟑螂在二氧化碳区域内迅速失去活动能力,而在水区域内45秒后完全失去活动能力。然而,装备潜水装备的蟑螂能够成功穿越整个隧道,保持正常步态。在三次独立测试中,所有装备蟑螂都成功穿越了两个危险区域,证明潜水装备能够在连续的二氧化碳暴露和水下浸没环境中维持呼吸和运动。此外,研究人员评估了蟑螂在狭窄水下空间中的机动能力。在水下空间中,背部背包模块从胸部突出,阻碍了通过狭窄空间。为了消除这种突出,研究人员将背包和电池植入体内,形成完全植入的机器人配置。

利用这种配置,装备潜水装备的蟑螂能够通过2厘米高的缝隙,这对于常规机器人和大多数水下机器人来说是困难的。这种内部配置还改变了内部质量分布,将背包和电池更接近身体的中心轴线,从而降低重心,提高稳定性,减少翻倒的可能性。此外,这种内部配置还防止了外部部件在狭窄空间或不平整的水下地形中卡住或脱落。在总结中,潜水装备使昆虫机器人能够在陆地和水下两种环境中操作,扩展了它们的操作范围,同时保持运动能力。这种技术为搜救和基础设施检查等应用提供了新的可能性,特别是在涉及水下环境的复杂任务中。未来的研究可以进一步优化氧气发生器的设计,以实现更动态的氧气供应,并探索其他昆虫物种的适应性。

通过不断创新,昆虫机器人有望在更广泛的领域中发挥重要作用。 。