能潜水两栖的仿生昆虫外骨骼

Underwater Suit-Wearing Cyborg Insect Capable of Diving and Terra-Aqua Travel

背景

小型机器人与生物体结合形成“cyborg insects”（赛博虫），可通过远程控制实现动作。这些混合系统结合了昆虫的生物特性与电子控制装置的技术功能，已被设想用于搜索救援、管道检测和物体运输等任务。其中以蟑螂为基础的赛博虫最为有前景，因为其坚固性和易于控制的特点。不同于传统小型机器人需要消耗电池能量驱动执行器，赛博虫利用昆虫自身的肌肉驱动，无需电能驱动，功率消耗极低。它们体积小巧、适应性强且耐用，能够在混乱环境中移动，进入大型机器人无法进入的狭小空间。然而，现有cyborg insects的运行受宿主生理需求限制，如氧气和温度水平。陆生昆虫如蟑螂无法从水中吸收氧气，因此无法在水下运行。现实中的搜索救援或基础设施检查场景中常有水洼、淹没区或部分浸没区域，持续运行需要开发能在水下暂时浸没并保持正常代谢的cyborg insects。

核心内容

为解决这一限制，研究团队开发了一种可穿戴的“diving suit”（潜水套装），用于陆生昆虫。该套装集成小型化氧气发生模块和柔性防水外壳，可提供持续氧气供应并隔离周围水体。以墨西哥嗜吼蟑螂（Gromphadorhina portentosa，陆生物种）为平台，研究人员设计了包含柔性外壳、氧气发生器和氧气输送管的 wearable diving suit，实现长期浸没下的生存和任务执行。

氧气发生器采用MnO2催化的过氧化氢（H₂O₂）分解反应，只产生水和氧气作为副产物，在中性条件下易进行。氧气发生器采用1.6 ml反应器，将MnO2粉末沉积在高度吸收性的亲水性纤维素海绵（1×1 cm）上，将反应限制在固液界面，生成来自多个分离微观点的氧气，防止气体聚集和气泡聚并。过氧化氢通过滴加到海绵上作为载体和MnO2沉积基质。氧气发生器由盛装MnO2沉积海绵的小容器和集成疏水性PTFE微孔膜（孔径0.22 µm）的盖子组成，微孔允许气体通过但阻止液体渗透，使氧气排出外壳，而保持H₂O₂溶液、MnO2粉末和生成的水液在内部。

氧气通过软管连接到蟑螂的胸部气孔（thoracic spiracles），形成完整呼吸通路。柔性腹部外壳隔绝腹部气孔并作为氧气储存和运输箱。安装过程考虑了气孔位置：前胸气孔（prothoracic spiracle）呈唇状结构，后胸气孔（mesothoracic spiracle）只有小孔开放，使用定制螺旋管连接器实现机械固定。

最初 dorsal（背面）安装氧气发生器导致水下运动阻力大、重心升高约1.7 cm、姿势不稳和翻转。改用 ventral（腹面）后部位置，保持低重心和流线型体型，确保稳定游走。套装已通过振动摇床10分钟模拟机械冲击测试并通过密封性验证：盖子表面和下方水敏感测试纸无颜色变化，无液体泄漏。长期生物影响评估中，五只戴套装的cyborg insects暴露后三天均正常存活。H₂O₂分解放热，但红外相机监测下氧气发生器温度保持23.6–24.0 ℃，无明显升高。

在实验室测试中，戴套装的cyborg insects可在水下（深度约50 cm）移动，通过淹没隧道和水下障碍，持续呼吸和运动高达3小时。氧气发生器仅产生水和氧气副产物，无化学泄漏风险，温度对昆虫生理无影响。未来可集成小型氧浓度传感器和微泵实现主动调控氧气释放，匹配昆虫活动状态。

关键要点

• 核心创新：首个可穿戴化学式氧气发生器套装，无电子组件，实现小型化且昆虫可安装。
• 氧气产生机制：MnO2催化的H₂O₂分解反应，产生仅水和氧气，采用纤维素海绵分散催化位点实现稳定释放。
• 防水与密封设计：柔性防水外壳隔离气孔，疏水性PTFE微孔膜仅允许氧气排出，盖子测试确认零液体泄漏。
• 安装优化：将氧气发生器置于腹部后部，降低重心避免翻转，确保水下稳定运动。
• 耐久性验证：振动模拟冲击和三天暴露测试均通过，温度控制在23.6–24.0 ℃，昆虫存活正常。
• 性能数据：水下生存与运动持续3小时，可穿行淹没区域和障碍。
• 潜在改进：未来结合传感器与微泵实现动态氧气供给。

意义与影响

该研究突破了cyborg insects仅限于宿主自然环境的限制，将其扩展至陆水交替极端环境，如洪涝区或淹没空间，显著提升搜索救援和基础设施检查的能力。在真实场景中，cyborg cockroaches可作为低功率、紧凑型机器人，探索大型机器人难以进入的狭小、混乱区域，实现长期运行而不消耗电能驱动执行器。这项技术结合了生物适应性与工程保护，为未来cyborg insect swarms在灾害救援、太空探索（如火星）或监测等任务中提供新可能。未来工作可聚焦主动氧气调控，进一步延长操作时间并扩大应用范围，推动生物-电子混合机器人向更复杂现实世界任务进化。