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。
在机器人技术领域,昆虫机器人因其独特的生物-机械结合特性,近年来备受关注。传统的昆虫机器人主要依赖昆虫自身的生理能力,其作业环境受限于昆虫的自然栖息条件。然而,近期研究突破了这一限制,通过为陆生昆虫设计可穿戴的潜水装备,使其能够在水下环境中长时间作业,实现水陆两栖的灵活移动。这种创新技术不仅拓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新的解决方案。 昆虫机器人是一种将生物昆虫与电子控制器结合的混合机器人系统。这种技术利用昆虫的生物能力与机械设备的功能相结合,通过远程控制昆虫的运动。
目前,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,被认为是最具潜力的类型。与传统的小型机器人相比,昆虫机器人在运动时依赖昆虫自身的肌肉,无需电力驱动,能够实现极低的能耗。其紧凑的尺寸、适应性和耐用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,因此无法在水下执行任务。考虑到实际应用场景中,搜救或基础设施检测任务常常涉及水坑、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,可安装在蟑螂的身体上。这种系统通过化学反应逐步释放氧气,同时防止水进入昆虫的呼吸系统。通过这种方式,蟑螂能够在缺氧环境中生存并执行任务,成为一种能够在陆地和水下环境中作业的两栖机器人。这种潜水装备能够维持呼吸和运动能力,使昆虫机器人在水下环境中持续作业长达3小时,为在极端、封闭环境中进行长时间探索提供了可能。 潜水装备的设计包括一个微型化的氧气生成模块和一个柔性防水外壳。氧气生成模块利用过氧化氢(H2O2)与二氧化锰(MnO2)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。氧气通过输送管道输送到蟑螂的胸部气门,确保昆虫在水下环境中能够正常呼吸。 为了验证潜水装备的有效性,研究人员进行了多项实验。在水下环境中,配备潜水装备的昆虫机器人能够保持活动和对外部电刺激的响应长达2-3小时。而未配备潜水装备的对照组蟑螂在2分钟内因缺氧而窒息。这表明潜水装备通过隔绝水和供应氧气,将蟑螂的水下生存时间从几分钟延长到几小时。
此外,配备潜水装备的昆虫机器人能够在陆地和水下环境中实现用户诱导的进入和退出水体,展示了其在陆地-水体界面的持续可控性和生理活动。 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。研究人员发现,水下运动速度比陆地上低,转向速度下降更为显著。这种差异主要归因于几何和水动力学因素。蟑螂的修长、椭圆形身体在转向时暴露的前面积增加,从而增大了流体阻力。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,导致转向时的速度损失更大。
为了评估昆虫机器人在水下环境中的长期表现,研究人员进行了为期3小时的运动活动监测。结果显示,随着时间推移,前进和转向速度逐渐下降,主要归因于生理疲劳和刺激习惯化。然而,即使在3小时后,昆虫机器人仍能保持较高的运动速度,表明其在水下环境中仍能实现路径控制。 为了进一步验证潜水装备的适应性,研究人员在模拟危险环境中进行了测试。在一个由二氧化碳区和水区组成的1.7米长的隧道中,配备潜水装备的昆虫机器人能够成功穿越两个危险区域,保持运动活动。而未配备潜水装备的对照组蟑螂在二氧化碳区域内迅速失去活动能力,在水区域内45秒内完全失去运动能力。
这表明潜水装备能够在复杂环境中保持昆虫机器人的生存和运动能力。 此外,研究人员还评估了昆虫机器人在狭窄水下空间中的机动能力。通过将控制器和电池植入昆虫体内,形成完全植入式机器人配置,消除了背包模块在背部的凸起,使昆虫机器人能够通过仅2厘米高的狭窄缝隙。这种内部配置还改变了内部质量分布,将背包和电池靠近身体的中心轴线,降低了重心,提高了稳定性,减少了在水下运动时翻倒的可能性。 昆虫机器人技术的发展为搜救、管道检测等领域提供了新的解决方案。配备潜水装备的昆虫机器人能够在复杂环境中执行任务,其独特的生物-机械结合特性使其在狭窄空间中具有优势。
未来,随着技术的进一步发展,昆虫机器人有望在更多领域中发挥重要作用,为人类探索未知环境提供新的可能性。 。
