一种活体的“生物杂交机器人水母”可用于深海探测研究
一种活体的“生物杂交机器人水母”可用于深海探测研究
水母除了游泳、蜇人、吃东西和繁殖之外，好像什么也做不了。它们甚至没有大脑。然而，这些简单的生物却可以轻松地前往海洋深处，而人类尽管如此复杂，却无法做到这一点。
但是，如果人类可以让水母代表我们探索海洋，并报告它们的发现呢？加州理工学院进行的一项新研究旨在通过创造研究人员所谓的“生物杂交机器人水母”来实现这一目标。这些生物可以被认为是海洋电子人，它们用电子设备增强了水母的游泳能力，还戴了一个假体“帽子”，可以携带少量有效载荷，同时使水母以更流线型的方式游泳。
这项研究发表在《生物灵感与仿生学》杂志上，由航空和机械工程百年教授约翰·达比里（John Dabiri）的实验室进行，并建立在他之前研究水母的基础上。达比里的这项研究的目标是使用水母作为机器人数据收集器，将它们送入海洋，收集有关温度、盐度和氧气水平的信息，所有这些信息都受到地球气候变化的影响。
约翰·达比里教授表示：“众所周知，海洋对于决定我们现在和未来的陆地气候至关重要，然而，我们对海洋的了解仍然少得惊人，尤其是远离海洋表面的海洋。我们的目标是通过采取一种非常规的方法来最终改变这一趋势，这种方法的灵感来自于少数已经成功探索整个海洋的动物之一。”
在他的整个职业生涯中，达比里一直在寻找包括水母在内的自然世界来解决工程挑战的灵感。这项工作始于达比里实验室早期的尝试，即开发一种像水母一样游泳的机械机器人，这是任何生物中最有效的在水中游泳的方法。尽管他的研究团队成功地创造了这样一个机器人，但这个机器人从来没有像真正的水母那样高效地游泳。这时，达比里问自己，为什么不直接研究水母本身呢？
“水母是最早的海洋探险家，它们能到达最深的角落，在热带或极地水域也能茁壮成长，”达比里说。“由于它们没有大脑或感知疼痛的能力，我们已经能够与生物伦理学家合作，以符合伦理原则的方式开发这种生物混合机器人应用。”
此前，达比里的实验室给水母植入了一种电子起搏器来控制它们的游泳速度。在这样做的过程中，他们发现，如果他们让水母游得比它们通常保持的悠闲速度更快，这些动物就会变得更有效率。水母游得比正常速度快三倍，只会消耗两倍的能量。
这一次，研究小组更进一步，给水母添加了他们所谓的“前体”。这些前体就像帽子一样，位于水母的钟（动物的蘑菇形状的部分）上。这些装置是由研究生和主要作者西蒙·阿努什奇克（Simon Anuszczyk）设计的，他的目的是使水母更流线型，同时也为传感器和其他电子设备提供一个可以携带的地方。
阿努什奇克说：“就像箭头的尖端，我们设计了3D打印的前体，使水母机器人的钟形流线化，减少阻力，提高游泳性能。与此同时，我们尝试了3D打印，直到我们能够小心地平衡浮力，保持水母垂直游泳。”
为了测试增强水母的游泳能力，达比里的实验室在加州理工学院的古根海姆实验室建造了一个巨大的垂直水族馆。达比里解释说，这个三层楼高的水箱很高，而不是很宽，因为研究人员想要收集远低于水面的海洋状况的数据。
达比里说：“在海洋中，水母从海面到几千米深处的往返需要几天的时间，所以我们想开发一种设备来在实验室里研究这一过程。我们的垂直水箱让动物们在垂直的水流中游泳，就像游泳者的跑步机一样。我们希望该设施的独特规模 —— 可能是同类中第一个垂直水跑步机 —— 对其他各种基础和应用研究问题有用。”
在水箱中进行的游泳测试表明，配备了游泳起搏器和前体的水母，在携带有效载荷时，游动速度比纯天然水母快4.5倍。达比里说，每只水母的总成本约为20美元，这使得生物杂交水母成为一种有吸引力的替代方案，而不是租用一艘每天运行成本超过5万美元的研究船。
达比里补充说：“通过利用水母在深海中承受极端压力的天然能力，以及它们通过进食为自己提供能量的能力，我们的工程挑战变得容易管理得多。我们仍然需要设计传感器包来承受相同的破碎压力，但该设备比垒球还小，这使得它比在这些深度运行的完整潜艇更容易设计。”
达比里说，未来的工作可能会集中在进一步提高仿生水母的能力上。目前，它们只能在直线上游得更快，比如为深海测量而设计的垂直路径。但进一步的研究也可能使它们具有可操控性，这样它们就可以水平定向和垂直定向。
描述这项工作的论文“海洋探索中活水母的机电增强”发表在2月28日的《生物灵感与仿生学》杂志上。
这项研究的资金由美国国家科学基金会和查尔斯·李·鲍威尔基金会提供。