建造用于海洋探索的仿生水母

水母除了游泳、蜇人、进食和繁殖外，什么也做不了。他们甚至没有大脑。然而，这些简单的生物可以很容易地到达海洋深处，尽管我们很复杂，但人类却无法做到。

但是，如果人类可以让水母代表我们探索海洋，并报告他们的发现呢？加州理工学院进行的新研究旨在通过创造研究人员所谓的生物混合机器人水母来实现这一目标。这些生物可以被认为是远洋机器人，它们通过电子设备增强了水母的游泳能力，并戴上了可以携带小有效载荷的假肢“帽子”，同时也使水母以更流线型的方式游泳。

这项工作发表在 《生物灵感与仿生学 》杂志上，是在航空和机械工程百年教授约翰·达比里（John Dabiri，MS ’03，PhD ’05）的实验室进行的，并建立在他之前增强水母的工作之上。Dabiri这项研究的目标是使用水母作为机器人数据收集器，将它们发送到海洋中收集有关温度，盐度和氧气水平的信息，所有这些都受到地球气候变化的影响。

“众所周知，海洋对于决定我们当前和未来的陆地气候至关重要，然而，我们对海洋的了解仍然令人惊讶，尤其是远离地表，”达比里说。“我们的目标是通过采取一种非常规的方法，最终通过一种非常规的方法来推动这一目标，其灵感来自已经成功探索整个海洋的少数动物之一。

媒体资产：Robotic Jellyfish Explorers

在他的整个职业生涯中，Dabiri 一直从包括水母在内的自然界中寻找解决工程挑战的灵感。这项工作始于Dabiri实验室的早期尝试，即开发一种像水母一样游泳的机械机器人，这种机器人具有在任何生物的水中旅行的最有效方法。尽管他的研究团队成功地创造了这样一个机器人，但该机器人永远无法像真正的水母那样有效地游泳。在这一点上，达比里问自己，为什么不自己与水母一起工作呢？

“水母是最初的海洋探险家，它们到达最深处的角落，在热带或极地水域也同样茁壮成长，”达比里说。“由于他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，以符合道德原则的方式开发这种生物混合机器人应用。

此前，Dabiri的实验室为水母植入了一种电子起搏器，可以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，动物就会变得更有效率。水母的游泳速度是平时的三倍，消耗的能量是平时的两倍。

这一次，研究小组更进一步，在果冻中添加了他们所谓的前身。这些前身就像戴在水母铃铛（动物的蘑菇形部分）上的帽子。这些设备由研究生和主要作者Simon Anuszczyk（MS ’22）设计，他旨在使水母更加精简，同时提供一个可以携带传感器和其他电子设备的地方。

“就像箭头的尖头一样，我们设计了3D打印的前身来简化水母机器人的铃铛，减少阻力，提高游泳性能，”Anuszczyk说。“与此同时，我们尝试了3D打印，直到我们能够仔细平衡浮力并保持水母垂直游泳。

为了测试增强水母的游泳能力，Dabiri的实验室在加州理工学院的古根海姆实验室内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，因为研究人员希望收集远在地表以下的海洋条件的数据。

“在海洋中，水母从水面到几千米的往返需要几天时间，所以我们想开发一个设施来研究实验室中的这一过程，”Dabiri说。“我们的垂直水箱让动物在流动的垂直水流中游泳，就像游泳者的跑步机一样。我们预计该设施的独特规模 – 可能是同类产品中的第一台垂直水上跑步机 – 将对各种其他基础和应用研究问题有用。

在水箱中进行的游泳测试表明，配备游泳起搏器和前身组合的水母在携带有效载荷时可以比全天然水母快 4.5 倍。Dabiri说，每只水母的总成本约为20美元，这使得生物混合水母成为租用研究船的有吸引力的选择，而研究船每天的运行成本可能超过50,000美元。

“通过利用水母在深海中承受极端压力的自然能力以及它们通过进食为自己提供动力的能力，我们的工程挑战更容易管理，”Dabiri补充道。“我们仍然需要设计传感器封装以承受相同的破碎压力，但该装置比垒球小，因此比在这些深度运行的完整潜艇更容易设计。

“我真的很高兴看到我们第一次通过简单地观察海洋的这些部分可以学到什么，”他补充道。

Dabiri说，未来的工作可能集中在进一步增强仿生水母的能力上。目前，它们只能在直线上游得更快，例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可操纵，因此它们可以水平和垂直方向。

描述这项工作的论文，“用于海洋探索的活水母的机电增强”发表在2月28日的 Bioinspiration & Biomimetics上。 合著者是 Anuszczyk 和 Dabiri。

该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。