水下潜水服穿戴式昆虫机器人:突破性的两栖探索技术

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近年来,随着机器人技术的快速发展,昆虫机器人作为一种结合生物与机械的混合体,在搜救、管道检测和物体运输等领域展现出了巨大的潜力。然而,传统的昆虫机器人主要限于陆地环境,其作业范围受到宿主生理需求的限制。为了突破这一局限,研究人员开发出了一种创新的水下潜水服系统,使得陆生昆虫能够在水下环境中长时间生存和作业,从而实现了两栖昆虫机器人的概念。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,通过远程控制实现昆虫的运动。目前,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运动能力,被认为是最具潜力的选择。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,无需电力驱动,从而实现了极低的功耗。

其紧凑的尺寸和灵活的运动能力使其能够穿越复杂的环境,进入大型机器人无法进入的狭小空间。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,这限制了它们在水下作业的能力。考虑到实际的搜救或基础设施检测场景往往包括水坑、洪水区或部分浸水区域,持续作业需要开发能够在缺氧环境中短暂浸水和运动的昆虫机器人。为了实现这一目标,研究人员设计了一种微型化的氧气供应系统,并将其安装在蟑螂的身体上。这种系统包括一个柔性防水外壳和一个微型氧气发生器,能够持续供应氧气并隔离周围的水。

通过将这种系统安装在蟑螂身上,研究人员使其能够在缺氧环境中生存和作业,从而实现了两栖昆虫机器人的概念。氧气发生器基于过氧化氢(H2O2)的催化分解反应,产生氧气和水。为了确保氧气的稳定供应,研究人员将二氧化锰(MnO2)沉积在细胞海绵上,形成一个催化反应的载体。这种设计使得氧气能够从多个微小的反应点释放,避免了气泡的聚集和剧烈的液体搅动。氧气发生器的外壳由柔性树脂制成,能够适应昆虫的自然运动,同时确保水密性。为了将氧气输送到蟑螂的气门,研究人员设计了专门的氧气输送管道。

蟑螂的胸部气门具有独特的结构,前胸气门保持开放,而中胸气门保持关闭。因此,研究人员设计了不同的气门连接器,以确保氧气的有效输送和水密性。前胸气门连接器采用勺形盖,能够完全覆盖气门阀,而中胸气门连接器采用细管,能够插入小孔中。为了验证潜水服的水密性能,研究人员进行了浸水和机械弯曲测试。在30分钟的浸水测试中,潜水服内部的水敏试纸仅出现轻微变色,表明没有水渗入。控制测试在空气中进行,结果显示变色是由于昆虫的呼吸湿气,而不是外部泄漏。

此外,研究人员还进行了多方向的掉落测试,以评估潜水服对机械冲击的耐受性。在所有测试中,潜水服结构完好无损,氧气发生器正常工作,蟑螂保持活跃并能够响应外部刺激。在水下环境中,潜水服穿戴的昆虫机器人能够保持呼吸和运动能力,实现长达3小时的水下作业。与未穿戴潜水服的蟑螂相比,后者在水下环境中仅能存活几分钟。此外,潜水服穿戴的昆虫机器人能够在陆地和水下环境中自由切换,展示了其在两栖环境中的适应能力。研究人员还评估了昆虫机器人在水下环境中的运动性能。

在水下环境中,昆虫机器人的平均前进速度为78.4毫米/秒,左转和右转的角速度分别为35.2°/秒和28.2°/秒。与陆地环境相比,水下环境中的运动速度有所下降,主要是由于水下环境中的流体阻力增加。然而,昆虫机器人仍然能够保持较高的运动速度,表明其在水下环境中的导航能力。为了进一步验证昆虫机器人的适应能力,研究人员在模拟的危险环境中进行了测试。在一个1.7米长的隧道中,研究人员模拟了二氧化碳和水的混合环境。未穿戴潜水服的昆虫机器人在二氧化碳区域内迅速失去活动能力,而在水下区域内也无法存活超过45秒。

然而,穿戴潜水服的昆虫机器人能够成功穿越整个隧道,展示了其在复杂环境中的适应能力。此外,研究人员还评估了昆虫机器人在狭窄水下空间中的穿越能力。在水下高度仅为2厘米的狭窄通道中,昆虫机器人能够成功穿越,展示了其在狭窄空间中的适应能力。这种能力得益于完全植入式的设计,将控制器和电池植入昆虫体内,避免了外部凸起的问题。本研究展示了水下潜水服穿戴式昆虫机器人的巨大潜力,其在两栖环境中的适应能力为未来的搜救、基础设施检测和其他复杂任务提供了新的可能性。通过结合生物适应性与工程保护,这种创新的技术为昆虫机器人的发展开辟了新的方向。

未来的研究可以进一步优化氧气发生器的设计,以实现更高效的氧气供应和更长的作业时间。此外,可以探索将这种技术应用于其他陆生昆虫,如蝗虫和甲虫,以扩大其应用范围。随着技术的不断进步,昆虫机器人有望在更多领域发挥重要作用,为人类社会带来更多便利和安全保障。 。