水下潜水服昆虫机器人:突破性的水陆两栖生物机器人技术

行业领袖访谈

近年来,随着机器人技术的快速发展,生物机器人领域取得了显著进展。其中,昆虫机器人因其独特的生物特性和机械灵活性,成为研究热点。近期,科学家们开发出了一种创新的水下潜水服昆虫机器人,该技术通过为陆生昆虫设计专用的潜水服,使其能够在水下环境中长时间生存和移动,实现水陆两栖作业。这一突破性技术不仅拓展了昆虫机器人的应用范围,还为搜救、管道检测等复杂任务提供了新的解决方案。 昆虫机器人是一种将生物昆虫与电子控制器结合的混合系统,它利用昆虫的生物能力与机械设备的功能,实现远程控制昆虫的移动。目前,昆虫机器人在复杂任务中表现出色,如搜救任务、管道检测和物体运输等。

其中,以蟑螂为基础的昆虫机器人因其强大的适应性和易于控制的移动能力,成为最具潜力的研究对象。与传统的小型机器人相比,昆虫机器人利用昆虫自身的肌肉进行移动,无需电子驱动,从而实现了极低的功耗。其紧凑的尺寸、适应性和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窄空间。 然而,昆虫机器人的操作范围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下氧气,因此无法在水下环境中作业。考虑到实际搜救或基础设施检测场景中常常存在水坑、洪水区或部分浸水区域,持续操作需要开发能够临时浸水和水下移动的昆虫机器人,同时保持正常代谢活动。

为了实现这一目标,研究人员设计了一种微型氧气供应系统,可安装在蟑螂的身体上。蟑螂等陆生昆虫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,昆虫机器人可能能够在水下环境中作业。为此,研究人员开发了一种紧凑且自给自足的氧气供应系统,称为"潜水服",基于受控的化学反应,逐步释放氧气,无需电子组件。 该潜水服由柔性防水外壳、微型氧气发生器和氧气输送管组成。柔性腹部外壳隔离了腹部气门与周围水,同时作为氧气储存和运输罐。

氧气发生器是一个密封容器,内含过氧化氢(H2O2)溶液和二氧化锰(MnO2)催化剂。在催化作用下,H2O2分解产生氧气,维持昆虫的正常呼吸功能。氧气输送管将生成的氧气通过管道输送到胸部气门。这些组件共同使蟑螂能够实现水陆两栖移动。 在设计过程中,研究人员遇到了多个挑战。首先,氧气发生器的位置需要精确设计,以避免影响昆虫的移动。

最初,氧气发生器安装在蟑螂的背部,导致水下移动时遇到水阻力,并且使重心上升,导致姿态不稳定和翻滚。腹部提供的间隙仅为2-3毫米,不足以容纳氧气发生器。因此,研究人员将发生器放置在腹部的后端,并通过轻质柔性外壳包裹发生器和腹部,使其能够稳定地进行水下行走,避免翻滚。 外壳设计为薄壁(1毫米),柔性封闭体,包裹在蟑螂的腹部,使其能够保持自然运动,并适应个体之间的轻微尺寸差异。外壳的几何形状基于蟑螂腹部的自然形态,采用卵圆锥形外壳,对蟑螂的运动影响最小,并保持蟑螂的流线型体形。锥体的宽开口使外壳能够从后端平滑地滑过渐细的腹部,使安装简单。

外壳的前端与蟑螂的第一腹节通过柔软的丁腈橡胶膜(0.16毫米厚,1.0厘米宽)密封。该膜填补了外壳与外骨骼表面之间的狭窄间隙,形成弹性密封,防止水进入,并保持水密接口。其柔软性使膜能够适应腹部的轻微尺寸差异,并随着蟑螂的运动而变形,从而保持自然的垂直和侧向运动。 氧气输送管将氧气从外壳内部输送到胸部气门。管的一端连接到外壳,另一端连接到气门。胸部气门的外部、柔软且解剖学上明显的特性使设计面临挑战。

前胸气门保持开放,形成沟槽,直接暴露出气门阀,而中胸气门保持关闭,仅有一个小孔可见。这种复杂性要求设计定制化的连接器,以实现紧密密封,确保有效的氧气输送和防水密封。前胸气门连接器具有勺形盖和椭圆形帽,设计用于完全包裹前胸气门暴露的气门阀。相反,中胸气门连接器具有细管(内径=0.3毫米,外径=0.4毫米),可插入小孔。在附着到气门后,这些气门连接器防止水进入呼吸系统,确保稳定的氧气输送。 潜水服的防水性能通过浸泡和机械弯曲测试进行了验证。

浸泡30分钟后,外壳内部的水敏试纸仅出现轻微变色,而控制测试在空气中也产生了轻微变色,确认变色源于昆虫的呼吸湿气而非外部泄漏。这些结果证明了潜水服在长时间浸泡和机械变形下能够保持水密性。多方向下落测试用于评估对意外机械冲击的耐受性。潜水服昆虫机器人从高度20厘米到1米的各种姿势下释放,模拟真实世界的跌落和碰撞场景。在所有测试中,潜水服结构保持完整,氧气发生器无泄漏,蟑螂保持活跃并能够响应外部刺激,展示了对机械冲击的适应性。此外,评估了潜水服在不同水位下的性能,将潜水服昆虫机器人浸入深度5到50厘米(约为身体长度的20倍)。

潜水服在所有测试深度下保持结构完整,内部试纸无蓝色变化,确认无泄漏发生。同时,蟑螂保持存活并展示正常运动。 整体而言,微型H2O2-MnO2基氧气发生器、柔性外壳和特别设计的氧气输送管的集成,实现了稳定的水下呼吸和运动,同时保持自然行为。这些结果确认潜水服使昆虫机器人能够在水下环境中保持呼吸、防水和机械韧性。此外,该潜水服概念可潜在地扩展到其他陆生昆虫机器人平台,如蟑螂、蝗虫和甲虫。这些昆虫具有相似的身体结构和气管呼吸系统,其中氧气通过成对的气门进入,并通过内部气管网络分布。

这些相似性表明,结合腹部保护外壳与气门的氧气供应策略也可能适用于陆生昆虫物种。然而,物种特异性的形态、运动行为和载荷能力差异可能带来工程挑战。例如,跳跃性昆虫如蝗虫可能需要优化潜水服的重量和流体力学设计,而具有折叠翅膀的昆虫可能需要修改外壳几何形状以避免干扰翅膀展开。此外,载荷能力有限的物种可能需要进一步缩小氧气发生系统并使用超轻材料。因此,适应不同昆虫物种的潜水服可能需要物种特异性的结构设计和设备微型化优化。 为了评估微型氧气发生器对蟑螂呼吸和运动能力的影响,研究人员测量了氧气生成率、氧气消耗率和潜水服内的氧气浓度。

向氧气发生器中注入1.0毫升3% H2O2,产生累计氧气量为6.2±0.2毫升。为了评估潜水服和氧气发生器的能力,在蟑螂在跑步机上行走时测量了潜水服内的氧气水平。氧气水平在注入1.0毫升H2O2后8.0分钟达到峰值(47.4±14.2%,均值±标准偏差,N=6)。之后,氧气水平逐渐下降,3小时后降至14.8±3.4%。这种氧气浓度足以使昆虫维持正常生理功能。在没有H2O2引入的对照测试中,呼吸消耗导致潜水服内的氧气水平持续减少,1小时后降至6.2±2.7%(均值±标准偏差,N=4)。

由于氧气水平低于5%会抑制昆虫活动并可能导致死亡,没有氧气发生器的昆虫机器人的操作时间不超过1小时。电刺激反应显示,在维持氧气水平的情况下,运动活动增强。在前5分钟(即前10次刺激)内,带有氧气供应的蟑螂显示出最高反应,诱导速度为5.9±3.5厘米/秒。尽管由于习惯化预期速度会下降,但带有氧气供应的蟑螂在2小时后仍能保持1.4厘米/秒以上的前向运动。没有氧气供应的组在30分钟后诱导速度低于0.5厘米/秒,表明蟑螂被认为停止响应。总行走时间为带有氧气供应时28.8±7.6分钟,没有氧气供应时11.9±7.4分钟。

这些结果确认了潜水服内的氧气供应维持了昆虫机器人的长时间运动活动。昆虫机器人的氧气需求也被确定。在静息状态下,它们消耗2.3±0.4毫升/小时(均值±标准误差,n=12,N=3),行走时增加到3.8±0.6毫升/小时(均值±标准误差,n=12,N=3)。考虑到氧气生成率,估计连续行走超过1小时,休息时2-3小时,即使没有外部氧气供应也能存活。 潜水服昆虫机器人的操作能力在浸没环境中进行了评估。潜水服昆虫机器人在水下保持活动和对外部电刺激的反应能力持续2-3小时。

相比之下,没有潜水服的对照蟑螂在2分钟内窒息。这些发现表明,潜水服通过密封防水并供应氧气,将蟑螂的水下存活时间从几分钟延长到几小时。此外,带有潜水服的昆虫机器人展示了用户诱导的水入水出,证明了在陆地-水界面跨越时的长时间可控性和维持的生理活动。 在陆地和水下环境中评估了昆虫机器人的运动表现。在陆地上,带有潜水服的昆虫机器人实现了平均前向速度为87.5毫米/秒,左转角速度为58.6°/秒,右转角速度为58.1°/秒。在水下,平均前向速度降低到78.4毫米/秒,平均左转和右转角速度分别降低到35.2°/秒和28.2°/秒。

前向和转向速度的减少(前向速度减少10.4%,左转和右转角速度分别减少39.9%和51.4%)主要归因于水下的流体阻力增加。这种差异,即角速度损失比前向速度损失更严重,源于几何和流体动力学因素。带有潜水服的蟑螂的修长、椭圆形身体增加了转向时暴露的正面面积,从而增强了流体阻力。此外,身体周围的涡流剪切和非稳态流动产生额外的涡流诱导阻力,导致水下转向时速度损失更大。 长期水下性能通过监测水下运动活动3小时进行评估。观察到前向和角速度逐渐减少,主要归因于生理疲劳和刺激习惯化。

前向速度从5分钟时的78.4毫米/秒减少到3小时后的52.3毫米/秒。右转角速度从27.5°/秒减少到10.7°/秒,左转角速度从34.6°/秒减少到14.1°/秒。之前的研究表明,昆虫机器人在陆地上实现了平均前向和角速度为29.0毫米/秒和6.95°/秒的点到点导航。相比之下,带有潜水服的昆虫机器人在水下保持了更高的运动速度,表明潜水服也使水下路径控制成为可能。 分析刺激前、刺激中和刺激后的平均速度,揭示了水下运动的进一步差异。与空气中观察到的刺激后速度迅速衰减不同,水下平均刺激后速度(蓝线),特别是在机动过程中,有时超过刺激期间的平均速度(红线)。

这些延迟的加速和减速响应是由于周围水的附加质量效应。当蟑螂从静止加速时,周围流体施加一个相反的附加质量力,阻碍其运动。相反,在减速过程中,附加质量力继续施加一个向前的推力,从而延长减速过程。同时,实验揭示了蟑螂的足爪在水下保持锚定在基质上,与空气中放松的腿位置形成对比。这种持续的抓握行为抵消了上浮力和由于流体干扰引起的旋转不稳定性。因此,蟑螂必须持续施加强烈的爪抓握以保持平衡。

这种持续的抓握行为也可能有助于观察到的水下运动响应较慢。 潜水服昆虫机器人的水陆两栖移动速度与报告的水陆两栖机器人进行了比较,通过将速度标准化为身体长度每秒(BL/s)。在陆地上,水陆两栖昆虫机器人实现了1.1 BL/s,超过大多数水陆两栖机器人(通常低于1.0 BL/s)。在水下条件下,该系统实现了1.0 BL/s的速度,再次超过大多数现有设计(通常低于0.8 BL/s)。与其他厘米级水陆两栖机器人相比,带有潜水服的蟑螂机器人在陆地和水下均展示了数倍于其他机器人的角速度。 整体而言,潜水服使昆虫机器人能够在陆地和水下环境中运行,扩展其操作范围到水陆两栖条件,同时保持运动能力。

操作验证需要测试潜水服在模拟危险环境和水下狭窄缝隙中的能力。为了检查潜水服是否允许蟑螂机器人在联合危险条件下运行,它们在1.7米长的隧道(5×5厘米截面)中进行了测试,隧道由充满二氧化碳的区域和水区域组成,代表典型的环境威胁 - - 麻醉气体和完全浸没。没有潜水服的昆虫机器人在二氧化碳区域内展示了混乱的运动、不规则的腿部运动和对外部刺激的响应丧失,仅几秒钟后。由于蟑螂在二氧化碳区域内变得不动,另一只昆虫机器人被引入水区域入口,以评估其对浸没的反应。在电刺激下,昆虫机器人被引导进入水中,其腿部运动逐渐停止,45秒后完全不动,表明窒息。相比之下,配备潜水服的昆虫机器人保持了正常步态,并成功穿越整个隧道。

在相同的二氧化碳-水隧道条件下进行了三次独立试验,所有配备潜水服的昆虫机器人成功穿越了两个危险区域(3/3成功试验)。运动活动在两个区域中保持,证明潜水服通过防止气体和水进入,同时提供独立的氧气供应,使昆虫机器人在联合二氧化碳暴露和水浸没环境中保持呼吸和运动。 评估昆虫机器人在狭窄水下空间中机动的能力,需要在狭窄缝隙中进行测试。在水下空间中,高度仅为2厘米的缝隙,背部背包模块(图1B、4A)从胸部突出,阻碍通过。昆虫缺乏感知障碍物的反馈,继续推进,最终卡住,因为背包是外部附件。为了消除这种突出,并使其能够在狭窄区域中平滑通过,背包和电池被植入体内,形成完全植入式昆虫机器人配置。

利用这种配置,配备潜水服的昆虫机器人能够穿越2厘米高的狭窄缝隙,这对于常规昆虫机器人(2.5±0.3厘米)和大多数水下机器人来说是困难的。完全植入式配置还改变了内部质量分布,将背包和电池更靠近身体的中心轴线,从而降低了重心,提高了稳定性,并减少了水下运动时翻倒的可能性。这种内部配置还防止了在狭窄缝隙或不平整水下地形中导致外部部件卡住或脱落。整体而言,这些结果表明潜水服使昆虫机器人能够在连续的二氧化碳-水环境中保持呼吸和运动,通过防止气体和水进入,同时提供独立的氧气供应。 该研究展示了昆虫机器人在水下环境中的潜力,为未来的搜救、管道检测和其他复杂任务提供了新的可能性。通过结合生物和机械技术,科学家们开发出了能够在水陆两栖环境中长时间运行的机器人,这将为各种领域带来重大影响。

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