研究人员创造仿生水母,游泳得更快,更有效

仿生水母插图

徐和达比利设计的植入物增强了艺术家对水母的渲染。信贷:丽贝卡Konte /加州理工学院

加州理工学院和斯坦福大学的研究人员使用微电子技术来增强水母的游动能力。

加州理工学院和斯坦福大学的工程师们研发出了一种微型假体,这种假体可以让水母比平时游得更快、更有效率,而且不会给动物带来压力。该项目背后的研究人员预计,在未来,装有传感器的水母可以被引导探索和记录海洋信息。

水母使用脉冲运动来推动自己前进,在他们移动以捕获猎物时摇摆他们的触手。新的假肢使用电动冲动来调节 - 并加速 - 脉冲,类似于心脏起搏器调节心率的方式。在水中中性挥发的装置直径约为2厘米,通过小木制倒钩连接到水母的主体上。

这项研究由加州理工学院的约翰·达比利(03级硕士,05级博士)和斯坦福大学的研究生妮可·许(15级硕士)领导,发表在杂志上科学推进

通常,水母的游动速度约为每秒两厘米。尽管它们能够移动得更快,但这并不能帮助它们诱捕猎物,这是它们挥动触手“游泳”的典型原因。

在论文中描述的研究中,Dabiri,Xu和同事配备了水母,微电子控制器脉冲的频率比动物的通常的身体脉冲快三倍。动物的脉冲加速,产生相应的游泳速度增加至每秒4-6厘米。

除了使水母更快,电动摇铃还使它们更有效地游泳。虽然水母比他们通常的速度快三倍,但它们只能使用两倍的能量来做(如游泳时动物所消耗的氧气量)。事实上,徐说,装备的假肢水母比游泳机器人更高的效率超过1000倍。

徐说:“我们已经证明,它们能够比正常情况下移动得快得多,而不会对它们的新陈代谢造成不必要的损失。”“这表明水母拥有一种尚未开发的能力,可以更快、更有效地游泳。他们只是通常没有理由这么做。”

应该指出的是,这些水母被严密监视,以确保它们不会受到伤害。水母没有大脑,也没有疼痛感受器,但已经发现它们在受到压力时会分泌粘液,而在本实验中没有观察到这种分泌。此外,假肢摘除后,水母又能正常游泳了。

在过去的十年里,达比利一直在加州理工学院和斯坦福大学从事受生物启发的机器人研究,而这项研究代表了这两种研究领域的“中间地带”。一种是使用纯机械部件,另一种是使用纯生物材料。

通过纯粹的机械系统,达比利成功地制造出了看起来像真实动物但需要更多能量来完成同样任务的机器人。“我们还没有捕捉到生物系统的优雅,”他指出。然而,尽管它们比机器人更优雅,但纯粹的生物系统要脆弱得多。事实上,达比利与哈佛大学的同事合作,证明了老鼠的心脏细胞可以对电场做出反应——这可能使它们成为生物装置的有用构件——但细胞只能在实验室条件下存活。

在加尔内特将徐先生始于2013年,在2013年开始为水母添加机械控制的努力是在Dabiri的实验室中进行夏季本科研究生奖学金(冲浪)的本科学员。Dabiri对利用水母进行海洋探索和感知感兴趣:目前的实验中使用的物种可以在整个地球的海洋中找到,深度从表面到深沟底部的深度。

“探索了海洋数量的五到10%,因此我们希望利用船尾测量的水母到处都是跨越的速度,这是由于其高成本而有限的数量“Dabiri说。“如果我们能找到一种方法来指导这些水母,还可以用传感器装备传感器,以跟踪海洋温度,盐度,氧气水平等的东西,我们可以创建一个真正的全球海洋网络,其中每个水母机器人都花费了几个美元到仪器并从海洋中养活自己的能量。“

目前,假肢可以指导水母开始游泳并控制节奏。The next step will be to develop a system that guides the jellyfish in specific directions and that allows them to respond to signals from onboard sensors, says Dabiri, who hopes to develop even smaller electronic controls that could be completely embedded in the jellyfish’s tissue, making them permanent but unnoticed prosthetics.

该研究标题为“嵌入在活水母中的低功率微电子增强推进”。该研究由国家科学基金会资助。

参考:Nicole W. Xu和John O. Dabiri于2020年1月29日发表的《嵌入在活水母中的低功率微电子增强推进力》科学推进
DOI:10.1126 / SCIADV.AAZ3194
CaltechAUTHORS: 20200129 - 114905734

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