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转换
本文深入探讨了最新研究成果,即通过为陆生昆虫设计专用潜水服,使其能够在水下环境中长时间生存并执行任务。这种创新技术将昆虫的生物适应性与工程保护相结合,为极端和狭窄环境的探索提供了新的可能性。
近年来,随着机器人技术的快速发展,昆虫机器人作为一种新型的混合系统,正在各个领域展现出其独特的优势。传统的昆虫机器人主要依赖于昆虫的生物能力与电子设备的结合,但其操作范围始终受限于宿主昆虫的自然环境。例如,陆生昆虫如蟑螂在水下环境中无法吸收水中的氧气,导致其无法在水下执行任务。为了突破这一限制,研究人员开发了一种可穿戴的潜水服,使得陆生昆虫能够在水下环境中长时间生存并保持活动能力。这种创新技术不仅扩展了昆虫机器人的操作范围,还为搜救、管道检查等复杂任务提供了新的解决方案。昆虫机器人是一种将活体昆虫与电子控制器结合的混合系统,它将昆虫的生物能力与电子设备的功能相结合,以实现远程控制昆虫的运动。
目前,昆虫机器人在搜救、管道检查和物体运输等复杂任务中表现出了巨大的潜力。特别是基于蟑螂的昆虫机器人因其强大的适应性和易于控制的运动能力而备受关注。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运动,无需电子驱动,从而实现了极低的功耗。此外,昆虫机器人的小巧尺寸和灵活性使其能够穿越拥挤的环境并进入传统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昆虫生理需求的限制,例如最佳氧气和温度水平。陆生昆虫如蟑螂无法在水下环境中吸收氧气,导致其无法在水下执行任务。
考虑到实际应用中的搜救或基础设施检查场景往往包括水坑、洪水区或其他部分浸水区域,持续操作需要开发能够在水下环境中短暂浸没并保持运动能力的昆虫机器人。研究人员提出,如果能够在蟑螂体上安装一个微型氧气供应单元,可能实现一个能够在陆地和水下两种环境中运行的蟑螂机器人。蟑螂通过胸部的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,同时防止水的进入,昆虫机器人可能在水下环境中也能正常运行。为了实现这一概念,研究人员设计了一个紧凑且自给自足的氧气供应系统,称为"潜水服"。该系统基于控制的化学反应,逐步释放氧气,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服,包括柔性外壳、氧气发生器和氧气输送管道,使其能够在长时间浸没的情况下保持生存和任务执行能力。潜水服的核心组件包括一个微型化的氧气发生器,该发生器利用过氧化氢(H2O2)溶液和二氧化锰(MnO2)催化剂的化学反应来产生氧气。这种反应在中性条件下进行,产生的副产物仅为水和氧气。为了确保反应的稳定性和安全性,MnO2被沉积在高度吸水的纤维素海绵上,使反应在固液界面上进行,避免了气泡的积累和大气泡的合并。氧气发生器的结构设计确保了化学物质不会泄漏,只有氧气能够通过特定的膜结构释放到外部。此外,潜水服的柔性外壳采用柔性树脂制成,能够包裹蟑螂的腹部,同时保持自然运动能力。
氧气输送管道将氧气从发生器输送到蟑螂的胸部气门,确保氧气的持续供应。为了验证潜水服的水密性能,研究人员进行了多次浸没和机械弯曲测试。结果表明,在30分钟的浸没和反复关节弯曲后,潜水服内部的水敏试纸仅出现轻微变色,而控制组在空气中测试时也出现了类似的变色。这表明潜水服能够在长时间浸没和机械变形下保持水密性。此外,研究人员还进行了多方向的掉落测试,以评估潜水服对意外机械冲击的耐受性。在从20厘米到1米的高度进行的各种姿势下的测试中,潜水服结构保持完整,氧气发生器没有泄漏,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。
在水下环境中,潜水服穿戴的蟑螂机器人能够保持活动和对外部电刺激的响应,持续时间达2-3小时。而未穿戴潜水服的蟑螂在水下环境中仅能存活几分钟。这表明潜水服通过隔绝水和供应氧气,将蟑螂的水下存活时间从几分钟延长到几小时。此外,穿戴潜水服的蟑螂机器人能够在陆地和水下之间进行用户诱导的进入和退出,展示了持续的可控性和保持的生理活动。在陆地环境中,穿戴潜水服的蟑螂机器人能够达到平均前进速度为87.5毫米/秒,左转角速度为58.6°/秒,右转角速度为58.1°/秒。在水下环境中,平均前进速度降低到78.4毫米/秒,左转和右转角速度分别降低到35.2°/秒和28.2°/秒。
这种速度的降低主要归因于水下环境中的流体阻力增加。此外,研究人员还评估了长期水下性能,通过监测3小时的水下运动活动。结果表明,前进速度和角速度逐渐减少,主要归因于生理疲劳和刺激习惯化。为了验证潜水服在模拟危险环境中的适应能力,研究人员在一个1.7米长的隧道中进行了测试。该隧道包括一个二氧化碳区和一个水区,模拟了典型的环境威胁。未穿戴潜水服的蟑螂机器人在二氧化碳区域内迅速失去方向感,出现混乱的腿部运动,并失去对外部刺激的响应。
而在二氧化碳和水区域内,穿戴潜水服的蟑螂机器人保持了正常的步态,并成功穿越了整个隧道。三次独立试验在相同的二氧化碳-水隧道条件下进行,所有穿戴潜水服的蟑螂机器人都成功穿越了两个危险区域,展示了在连续二氧化碳暴露和水下浸没的条件下保持呼吸和运动的能力。此外,研究人员还评估了蟑螂机器人在狭窄水下空间中的机动能力。在水下空间中,高度仅为2厘米的狭窄缝隙,背部背包模块从胸部突出,阻碍了通过。为了消除这种突出并实现顺利通过狭窄区域,研究人员采用了完全植入式蟑螂机器人配置。利用这种配置,穿戴潜水服的蟑螂机器人能够通过高度仅为2厘米的狭窄缝隙,这对于大多数水下机器人来说是难以实现的。
完全植入式配置还改变了内部质量分布,将背包和电池移动到身体的中心轴线附近,从而降低了重心,提高了稳定性并减少了在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的水下地形中卡住或脱落外部部件。综上所述,潜水服使得昆虫机器人能够在陆地和水下环境中运行,扩展了其操作范围,同时保持了运动能力。这种创新技术不仅为搜救、管道检查等复杂任务提供了新的解决方案,还为极端和狭窄环境的探索提供了新的可能性。未来,随着技术的进一步发展,潜水服可能会被应用于更多种类的陆生昆虫,进一步扩展昆虫机器人的应用范围。 。
