水下服装穿戴式昆虫机器人:突破性的水陆两栖探索技术

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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。然而,传统昆虫机器人在水下环境中的应用受到限制,因为它们依赖空气呼吸。近期,研究人员开发出了一种创新的水下服装穿戴式昆虫机器人,突破了这一限制,使昆虫机器人能够在水下环境中长时间生存和移动,并实现水陆两栖探索。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运动。这种技术在复杂任务中表现出色,例如搜救任务、管道检查和物体运输。其中,以蟑螂为基础的昆虫机器人因其强韧性和易于控制的运动能力,被认为是最具潜力的选择。

与传统人工小型机器人不同,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。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在水下环境中吸收氧气,因此无法在水下执行任务。考虑到实际搜救或基础设施检查场景中常常包含水坑、洪水区或部分浸水区域,持续操作需要开发能够在水下环境中短暂浸没并移动的昆虫机器人,同时保持正常的代谢活动。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,可以安装在蟑螂的身体上。这种系统通过化学反应逐渐释放氧气,同时防止水进入。

通过将这种氧气供应系统与柔性防水外壳结合,研究人员成功地使蟑螂在缺氧环境中生存并操作,将其转化为一种能够在陆地和水下环境中运行的两栖机器人。这种水下服装由三个主要组件组成:一个微型氧气发生器、一个柔性防水外壳和氧气输送管。氧气发生器利用过氧化氢和二氧化锰的催化反应,在中性条件下产生氧气和水。这种反应在细胞海绵上进行,确保氧气的稳定释放,同时防止液体振荡。氧气通过输送管输送到蟑螂的胸部气门,确保蟑螂在水下环境中能够正常呼吸。为了验证这种设计的可行性,研究人员进行了多次实验。

结果表明,穿戴水下服装的蟑螂机器人能够在水下环境中持续活动和响应外部电刺激长达2-3小时。而未穿戴水下服装的蟑螂在水下环境中仅能存活几分钟。这表明水下服装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,研究人员还评估了蟑螂机器人在陆地和水下环境中的运动表现。在陆地上,穿戴水下服装的蟑螂机器人平均前进速度为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。

这种速度下降主要归因于水下环境中的流体阻力增加。为了进一步评估长期水下表现,研究人员连续监测了蟑螂机器人在水下环境中的运动活动长达3小时。结果显示,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。前进速度从5分钟时的78.4毫米/秒降低到3小时后的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。研究人员还比较了穿戴水下服装的蟑螂机器人与其他两栖机器人的运动速度。

在陆地上,穿戴水下服装的蟑螂机器人达到1.1个身体长度/秒,超过大多数两栖机器人。在水下环境中,该系统达到1.0个身体长度/秒,再次超过大多数现有设计。与其他厘米级两栖机器人相比,穿戴水下服装的蟑螂机器人在陆地和水下环境中表现出数倍的角速度。为了验证水下服装的能力,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,隧道内部包含二氧化碳区域和水区域。未穿戴水下服装的蟑螂机器人在二氧化碳区域中迅速失去反应能力,而在水区域中45秒内完全失去活动能力。

而穿戴水下服装的蟑螂机器人能够成功穿越整个隧道,保持运动活动。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。在水下高度仅为2厘米的狭窄通道中,穿戴水下服装的蟑螂机器人能够顺利通过。这种设计通过将控制器和电池植入蟑螂体内,消除了外部凸起,从而实现了更好的稳定性和机动性。这种水下服装不仅适用于蟑螂机器人,还可以扩展到其他陆生昆虫机器人平台,如蝗虫和甲虫。这些昆虫具有相似的身体结构和气管呼吸系统,因此可以采用类似的腹部保护外壳与气门氧气供应的策略。

然而,不同昆虫的形态、运动行为和载荷能力差异可能带来工程挑战。例如,跳跃昆虫如蝗虫可能需要优化服装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,载荷能力有限的昆虫可能需要进一步缩小氧气发生系统并使用超轻材料。未来,研究人员计划在氧气发生器中集成微型氧气浓度传感器和微型泵,以实现基于实时氧气水平的氢过氧化物定量供应。这将使氧气供应系统能够动态调整,以适应昆虫的活动状态,从而克服当前被动系统的局限性。综上所述,水下服装穿戴式昆虫机器人技术的突破性进展,为昆虫机器人在水下环境中的应用开辟了新的可能性。

这种技术不仅扩展了昆虫机器人的操作范围,还为搜救、管道检查等领域提供了新的解决方案。随着技术的不断改进,昆虫机器人有望在更多极端和复杂的环境中发挥重要作用。 。