水下服装穿戴式昆虫机器人:突破性技术实现长时间潜水与陆水两栖移动

去中心化金融 (DeFi) 新闻

随着科技的不断进步,生物机器人领域取得了显著突破。近日,研究人员开发出了一种创新性的水下服装穿戴式昆虫机器人系统,该系统通过为陆生昆虫设计专用潜水服,使其能够在水下环境中持续生存和活动。这一技术突破为搜救、管道检测等复杂任务提供了全新的解决方案。 昆虫机器人作为一种结合生物能力与工程技术的混合体,近年来在各个领域展现出巨大潜力。传统的昆虫机器人主要依赖陆生昆虫的运动能力,但在水下环境中由于缺乏氧气供应,其应用受到限制。为了突破这一瓶颈,研究团队设计了一种微型氧气生成模块,并将其集成到柔性防水外壳中,形成完整的潜水服系统。

该潜水服系统的核心在于其微型氧气生成模块。该模块采用过氧化氢(H2O2)与二氧化锰(MnO2)的催化反应,在中性条件下持续生成氧气。为了确保反应的稳定性,研究人员将MnO2粉末沉积在高吸水性的纤维素海绵上,形成多个微型反应位点。这种设计避免了气泡聚集和液体剧烈搅动,确保了氧气的稳定释放。 潜水服的外壳采用柔性树脂材料,其几何形状模仿了昆虫腹部的自然形态,确保了昆虫的正常运动。外壳的前端通过柔软的丁腈橡胶膜与昆虫的第一腹节密封,形成弹性密封界面,防止水进入。

这种设计不仅保证了防水性能,还允许昆虫在运动过程中进行必要的形变。 氧气输送管道是连接氧气生成模块与昆虫胸部气门的关键组件。由于昆虫的两对胸部气门在形态上存在显著差异,研究人员设计了专用的气门连接器。对于保持开放的前胸气门,采用勺形盖子进行密封;对于保持关闭的中胸气门,则使用细管插入小孔。这种定制化设计确保了氧气的有效输送和防水性能。 为了验证潜水服的防水性能,研究人员进行了多项测试。

在30分钟的测试中,潜水服在水下环境中保持完好,水敏试纸仅显示微小变化,主要来自昆虫的呼吸湿气而非外部渗水。此外,通过多方向掉落测试,证明了潜水服在机械冲击下的耐久性。在不同水深测试中,潜水服在50厘米深的水下环境中保持完好,内部试纸无变色现象,表明在增加的水压下仍能保持防水性能。 在水下环境中,昆虫机器人的运动表现受到水动力阻力的影响。研究表明,水下前进速度比陆地上减少了10.4%,而转向速度则分别下降了39.9%和51.4%。这种差异主要源于几何和水动力学因素。

昆虫的椭圆形身体在转向时暴露的前面积增加,导致流体阻力增大。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,导致转向速度损失更为显著。 为了评估昆虫机器人在水下环境中的长期表现,研究人员进行了持续3小时的运动测试。结果显示,前进速度从最初的78.4毫米/秒下降到3小时后的52.3毫米/秒。右转角速度从27.5°/秒下降到10.7°/秒,左转角速度从34.6°/秒下降到14.1°/秒。这种下降趋势主要归因于生理疲劳和刺激习惯化。

然而,与陆地环境相比,昆虫机器人在水下仍能保持较高的运动速度,表明潜水服系统在水下环境中也能实现路径控制。 该研究还展示了昆虫机器人在复杂环境中的适应能力。在模拟的危险环境中,昆虫机器人成功穿越了二氧化碳区和水区,展示了在联合危险环境下的持续呼吸和运动能力。此外,通过将控制器和电池植入昆虫体内,研究人员消除了外部凸起,使昆虫机器人能够在2厘米高的狭窄缝隙中自由移动。 这一创新性的水下服装穿戴式昆虫机器人技术不仅扩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全新的解决方案。未来,随着技术的不断改进,这种技术有望在更多领域发挥重要作用。

。