探索最新的昆虫机器人技术,如何通过可穿戴潜水装备实现水陆两栖作业,为搜救、管道检测等领域带来革命性变革。
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,但其作业范围受限于昆虫的自然环境。为了突破这一限制,科学家们开发出了一种创新的可穿戴潜水装备,使得陆生昆虫能够在水下环境中长时间生存和作业,从而实现水陆两栖的灵活移动。这种技术的突破不仅为搜救、管道检测等领域提供了新的解决方案,也为未来的机器人技术发展指明了方向。 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,它能够利用昆虫的生物能力与电子设备的功能,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,例如搜救任务、管道检测和物体运输。
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,成为最具潜力的选择。与传统的小型机器人相比,昆虫机器人依靠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。其小巧的体型、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,昆虫机器人的作业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,因此无法执行水下任务。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,持续作业需要开发能够在水下环境中短暂浸没和移动的昆虫机器人,同时保持正常的代谢活动。
为了实现这一目标,科学家们设计了一种微型氧气供应系统,可以安装在蟑螂的身体上。这种系统通过控制化学反应逐渐释放氧气,同时防止电子组件的使用,确保系统的紧凑性和可穿戴性。通过将这种氧气供应系统与柔性防水外壳结合,科学家们成功地使蟑螂在缺氧环境中生存和作业,从而创造出一种能够在陆地和水下环境中运行的两栖昆虫机器人。这种装备能够维持呼吸和运动长达3小时,为在极端、狭窄环境中进行长时间的探索提供了可能性。 在设计过程中,科学家们采用了化学反应器基础的氧气生成单元,以消除对电子组件的需求,并保持紧凑的、可穿戴的设计。这种氧气生成单元被安装在轻便且柔性的外壳中,可以轻松附着在昆虫的身体上。
由于蟑螂通过胸部气门呼吸,氧气输送管道被安装以将生成的氧气连接到胸部气门。管道的末端被设计成能够牢固地机械连接到气门阀,从而形成一个集成的、可穿戴的潜水装备。 氧气通过二氧化锰催化过氧化氢的分解反应生成,该反应在中性条件下进行,产生水和氧气作为副产物。当二氧化锰粉末直接与过氧化氢溶液混合时,会导致快速分解、剧烈气泡和液体搅动,这会破坏蟑螂的运动稳定性。因此,二氧化锰被沉积在高度吸水的亲水性纤维素海绵上。这种配置将反应限制在固液界面,从而防止气体积累和大气泡的聚集。
为了防止液体搅动并确保稳定的氧气释放,过氧化氢被滴加到海绵上,海绵既作为过氧化氢溶液的载体,也是二氧化锰沉积的基质。为了确保氧气发生器在昆虫附近安全运行,发生器结构必须防止化学物质泄漏,并仅将氧气输送到外壳外部。 氧气发生器包括一个小容器,内部装有沉积二氧化锰的海绵,以及一个带有亲水性聚四氟乙烯微孔膜的密封盖。微孔允许气体渗透,但阻止液体渗透。膜被集成到盖子中,允许生成的氧气通过并释放到外部,而剩余的过氧化氢溶液、二氧化锰粉末(主要为1-10微米直径,大于孔径)和生成的液态水被保留在发生器内部,消除了化学泄漏的风险。通过将组装后的单元在振动摇床上振荡10分钟,模拟机械冲击,确认了密封稳定性。
之后,用水敏试纸擦拭盖子表面,没有观察到颜色变化。然后,将单元以盖子和膜朝下放置在另一张水敏试纸上3小时,没有检测到试纸上的颜色变化,确认没有液体泄漏。 此外,科学家们还评估了长期暴露于过氧化氧分解副产物的生物影响。五只穿着潜水装备的昆虫机器人在实验暴露后被监测了三天。所有个体在观察期内存活并表现出正常行为。由于过氧化氢的分解是放热反应,过量的热量可能会干扰昆虫的生理功能。
然而,通过红外相机监测氧气发生器的温度,发现温度始终在23.6至24.0摄氏度之间,没有明显的温度升高。这表明分散的二氧化锰催化位点和小量反应物(2毫克二氧化锰粉末和3%过氧化氢溶液)的使用,最小化了热量释放,防止了局部热量积累,并允许生成的热量扩散而不影响周围温度。未来改进氧气发生器的可能方向包括集成微型氧气浓度传感器和微型泵,以基于实时氧气水平定量输送过氧化氢,从而实现动态氧气供应,匹配昆虫的活动状态,并克服当前被动系统的局限性。 初始在蟑螂背部安装氧气发生器会导致水下移动时的水阻力增加,并将重心提高至约1.7厘米,导致姿态不稳定和翻倒。腹部提供的间隙仅为2-3毫米,不足以容纳氧气发生器。为了保持昆虫的流线型体型并保持低重心,发生器因此被放置在腹部的后端,并通过将发生器和腹部包裹在轻便且柔性的外壳中进行固定。
这种配置使得水下行走稳定且平滑,不会翻倒。 外壳被设计为薄壁(1毫米),柔性的外壳,包裹在蟑螂的腹部周围,允许使用柔性树脂制造,保持自然运动,并容纳个体之间的轻微大小差异。外壳的几何形状基于蟑螂腹部的自然形态,采用椭圆锥形外壳,对蟑螂的运动影响最小,并保持蟑螂的流线型体型。锥体的宽开口允许外壳从后端平滑地滑过锥形的腹部,使安装简单。外壳的前端被密封在蟑螂的第一腹节上,使用柔软的丁腈橡胶膜(厚度0.16毫米,宽度1.0厘米)。膜填充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。
其柔性允许膜在昆虫运动时适应腹部的轻微大小变化,从而保持自然的垂直和侧向运动。 氧气输送管道将氧气从外壳内部输送到胸部气门。管道的一端连接到外壳,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两对胸部气门的性质提出了设计挑战。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(图2D, i),设计用于完全封闭前胸气门暴露的气门阀(图2E, i, ii)。相反,中胸气门连接器具有薄管(内径=0.3毫米,外径=0.4毫米)(图2D, ii),可以插入小孔(图2E, iii, iv)。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。 潜水装备的防水性能通过浸没和机械弯曲测试进行了验证。在30分钟的浸没和重复关节弯曲后,装备内部的水敏试纸仅出现轻微颜色变化,没有典型的蓝色变化,表明没有水渗入。在空气中进行的对照测试产生了轻微颜色变化,确认观察到的变化源于昆虫的呼吸湿气,而不是外部泄漏。
这些结果证明了装备在长时间浸没和机械变形下保持防水性能的能力。为了评估对意外机械冲击的耐受性,进行了多方向的掉落测试。穿着潜水装备的昆虫机器人从高度20厘米到1米的各种姿势释放,模拟真实世界的掉落和碰撞场景。在所有测试中,潜水装备结构保持完整,没有损坏,氧气发生器正常运行,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,评估了装备在不同水位下的性能,通过将穿着潜水装备的昆虫机器人浸没到深度5到50厘米(约为身体长度的20倍)。装备在所有测试深度下保持结构完整,没有变形,内部试纸没有出现蓝色变化,确认没有泄漏发生。
同时,蟑螂保持活跃并展示正常的运动能力。 总体而言,微型H2O2-MnO2基础的氧气发生器、柔性外壳和特别设计的氧气输送管道的集成,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,潜水装备使昆虫机器人能够在水下保持呼吸、防水性和机械韧性。此外,所提出的潜水装备概念可能适用于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,将腹部保护外壳与氧气输送到气门的策略也可能适用于陆生昆虫物种。
然而,物种特异性的差异,如形态、运动行为和载荷能力,可能会引入工程挑战。例如,跳跃性昆虫如蝗虫可能需要优化装备的重量和流体力学设计,而具有折叠翅膀沿腹部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,将潜水装备适应不同昆虫物种可能需要物种特异性的结构设计和设备微型化优化。这种适应性可能进一步扩大潜水装备的适用性,使其适用于各种陆生昆虫,从而实现更广泛的两栖昆虫机器人平台。 为了评估微型氧气发生器对蟑螂呼吸和运动能力的影响,测量了氧气生成率、氧气消耗率和装备内的氧气浓度。
向氧气发生器引入1.0毫升3%H2O2,产生了累计氧气生成量为6.2±0.2毫升(图3A)。为了评估潜水装备和氧气发生器的能力,在蟑螂机器人行走跑步机时测量了装备内的氧气水平(图3B)。在注入1.0毫升H2O2后,装备内的氧气水平在8.0分钟内达到峰值(47.4±14.2%,均值±标准偏差,N=6)(图3C,蓝线)。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的生理功能。在没有H2O2引入的对照测试中,呼吸消耗导致装备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)(图3C,红线)。
由于氧气水平低于5%会抑制昆虫活动并可能导致死亡,没有氧气发生器的蟑螂机器人的作业时间限制在1小时以内。对电刺激的反应显示,在维持氧气水平的情况下,运动活动增强(图3D)。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/秒以上的诱导前向运动(图3D,蓝线)。没有氧气供应的组在30分钟后诱导速度降至0.5厘米/秒以下,蟑螂被认为停止响应。总行走时间为带有氧气供应的组为28.8±7.6分钟,没有氧气供应的组为11.9±7.4分钟。
这些结果确认,装备内的氧气供应维持了蟑螂机器人的长时间运动活动。此外,还确定了蟑螂机器人的氧气需求。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),在行走时增加到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(图3A),估计在连续行走时存活时间超过1小时,在静息状态下为2-3小时,即使没有外部氧气供应。 在确认潜水装备设计和可行性后,评估了昆虫机器人在浸没环境中的作业能力。穿着潜水装备的昆虫机器人在水下保持活动和对外部电刺激的响应长达2-3小时(补充电影S1)。
相比之下,没有潜水装备的对照蟑螂在2分钟内窒息(补充电影S1)。这些发现表明,潜水装备通过密封防水和供应氧气,将蟑螂的水下存活时间从几分钟延长到几小时。此外,穿着潜水装备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(补充电影S2)。 然后评估了昆虫机器人在陆地和水下的运动能力。在陆地上,穿着装备的昆虫机器人平均前向速度为87.5毫米/秒,左转角速度为58.6°/秒,右转角速度为58.1°/秒(图4B, i-iii)。在水下,平均前向速度降至78.4毫米/秒,平均左转和右转角速度分别降至35.2°/秒和28.2°/秒(图4D, i)。
前向速度和转向速度的下降(前向速度下降10.4%,左转和右转速度分别下降39.9%和51.4%)主要归因于水下的流体阻力增加。这种差异,即转向速度损失比前向速度损失更为显著,源于几何和流体力学因素。穿着装备的蟑螂的修长、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(图4D, i-v)。观察到前向和角速度的逐渐减少,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/秒降至3小时后的52.3毫米/秒。右转角速度从27.5°/秒降至10.7°/秒,左转角速度从34.6°/秒降至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°/秒的点对点导航。相比之下,穿着装备的昆虫机器人在水下保持了更高的运动速度,表明潜水装备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(图4E)。与空气中观察到的刺激后速度迅速衰减不同,水下的平均刺激后速度(图4E,蓝线),特别是在操作过程中,有时超过刺激期间的平均速度(图4E,红线)。
这些延迟的加速和减速响应源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,抵抗其运动。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,实验还发现,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扰动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解释水下观察到的较慢的运动响应。 穿着装备的两栖昆虫机器人的移动速度与已报道的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,两栖昆虫机器人实现了1.1 BL/s的速度,超过大多数两栖机器人(通常低于1.0 BL/s)(图4C, i)。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)(图4C, ii)。与其他厘米级两栖机器人相比,具有潜水装备的蟑螂机器人在陆地和水下均展现出数倍于其他设计的角速度。 总体而言,潜水装备使昆虫机器人能够在陆地和水下环境中运行,扩展了其作业范围到两栖条件,同时保持运动能力。
为了验证潜水装备的能力,在模拟危险环境中穿越狭窄的水下缝隙,进行了测试。为了检查潜水装备是否允许蟑螂机器人在结合危险条件下运行,它们在一个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部分和水填充的部分组成(图5A),代表典型的环境威胁 - - 麻醉气体和完全浸没。没有装备的蟑螂机器人在二氧化碳暴露后几秒内表现出混乱的运动、不规则的腿部运动和对外部刺激的响应丧失(图5B,补充电影S3)。由于蟑螂在二氧化碳区域变得不动,另一只蟑螂机器人被引入水区入口,以评估其对浸没的反应。在电刺激下,蟑螂机器人被引导进入水中,其腿部运动逐渐停止,在45秒内完全不动,表明窒息(图5C,补充电影S3)。相比之下,配备潜水装备的蟑螂机器人保持了正常步态,并成功穿越了整个隧道(图5D,补充电影S3)。
在相同的二氧化碳-水隧道条件下进行了三次独立试验,所有配备潜水装备的蟑螂机器人成功穿越了两个危险区域(3/3成功试验)。在整个区域内保持了运动活动,证明潜水装备通过防止气体和水进入,同时独立供应氧气,使蟑螂机器人在结合二氧化碳暴露和水浸没的条件下保持持续呼吸和运动。 评估昆虫机器人在狭窄水下空间中机动的能力,需要在狭窄的缝隙中进行测试。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,阻碍了通过。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,并使昆虫机器人能够顺利通过狭窄区域,背包和电池被植入体内,形成完全植入的机器人配置(图6A)。
利用这种配置,配备潜水装备的昆虫机器人能够穿越高度为2厘米的狭窄缝隙(图6B,C),这对于常规的胸部安装背包的昆虫机器人(2.5±0.3厘米)和大多数水下机器人来说是困难的。完全植入的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的水下地形中导航时外部部件的卡住或脱落。总体而言,这些结果表明潜水装备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。 在设计和可行性确认后,评估了昆虫机器人在浸没环境中的作业能力。穿着潜水装备的昆虫机器人在水下保持活动和对外部电刺激的响应长达2-3小时(补充电影S1)。
相比之下,没有潜水装备的对照蟑螂在2分钟内窒息(补充电影S1)。这些发现表明,潜水装备通过密封防水和供应氧气,将蟑螂的水下存活时间从几分钟延长到几小时。此外,穿着潜水装备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(补充电影S2)。 然后评估了昆虫机器人在陆地和水下的运动能力。在陆地上,穿着装备的昆虫机器人平均前向速度为87.5毫米/秒,左转角速度为58.6°/秒,右转角速度为58.1°/秒(图4B, i-iii)。在水下,平均前向速度降至78.4毫米/秒,平均左转和右转角速度分别降至35.2°/秒和28.2°/秒(图4D, i)。
前向速度和转向速度的下降(前向速度下降10.4%,左转和右转速度分别下降39.9%和51.4%)主要归因于水下的流体阻力增加。这种差异,即转向速度损失比前向速度损失更为显著,源于几何和流体力学因素。穿着装备的蟑螂的修长、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(图4D, i-v)。观察到前向和角速度的逐渐减少,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/秒降至3小时后的52.3毫米/秒。右转角速度从27.5°/秒降至10.7°/秒,左转角速度从34.6°/秒降至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°/秒的点对点导航。相比之下,穿着装备的昆虫机器人在水下保持了更高的运动速度,表明潜水装备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(图4E)。与空气中观察到的刺激后速度迅速衰减不同,水下的平均刺激后速度(图4E,蓝线),特别是在操作过程中,有时超过刺激期间的平均速度(图4E,红线)。
这些延迟的加速和减速响应源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,抵抗其运动。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,实验还发现,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扰动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解释水下观察到的较慢的运动响应。 穿着装备的两栖昆虫机器人的移动速度与已报道的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,两栖昆虫机器人实现了1.1 BL/s的速度,超过大多数两栖机器人(通常低于1.0 BL/s)(图4C, i)。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)(图4C, ii)。与其他厘米级两栖机器人相比,具有潜水装备的蟑螂机器人在陆地和水下均展现出数倍于其他设计的角速度。 总体而言,潜水装备使昆虫机器人能够在陆地和水下环境中运行,扩展了其作业范围到两栖条件,同时保持运动能力。
为了验证潜水装备的能力,在模拟危险环境中穿越狭窄的水下缝隙,进行了测试。为了检查潜水装备是否允许蟑螂机器人在结合危险条件下运行,它们在一个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部分和水填充的部分组成(图5A),代表典型的环境威胁 - - 麻醉气体和完全浸没。没有装备的蟑螂机器人在二氧化碳暴露后几秒内表现出混乱的运动、不规则的腿部运动和对外部刺激的响应丧失(图5B,补充电影S3)。由于蟑螂在二氧化碳区域变得不动,另一只蟑螂机器人被引入水区入口,以评估其对浸没的反应。在电刺激下,蟑螂机器人被引导进入水中,其腿部运动逐渐停止,在45秒内完全不动,表明窒息(图5C,补充电影S3)。相比之下,配备潜水装备的蟑螂机器人保持了正常步态,并成功穿越了整个隧道(图5D,补充电影S3)。
在相同的二氧化碳-水隧道条件下进行了三次独立试验,所有配备潜水装备的蟑螂机器人成功穿越了两个危险区域(3/3成功试验)。在整个区域内保持了运动活动,证明潜水装备通过防止气体和水进入,同时独立供应氧气,使蟑螂机器人在结合二氧化碳暴露和水浸没的条件下保持持续呼吸和运动。 评估昆虫机器人在狭窄水下空间中机动的能力,需要在狭窄的缝隙中进行测试。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,阻碍了通过。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,并使昆虫机器人能够顺利通过狭窄区域,背包和电池被植入体内,形成完全植入的机器人配置(图6A)。
利用这种配置,配备潜水装备的昆虫机器人能够穿越高度为2厘米的狭窄缝隙(图6B,C),这对于常规的胸部安装背包的昆虫机器人(2.5±0.3厘米)和大多数水下机器人来说是困难的。完全植入的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的水下地形中导航时外部部件的卡住或脱落。总体而言,这些结果表明潜水装备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。 。
