所以你决定建造一台水母跑步机

凯蒂·内斯（Katie Neith）

加州理工学院航空和机械工程百年教授约翰·达比里（John Dabiri）（05年博士）多年来一直通过各种镜头研究水母。他试图了解他们的节能运动策略，以便远洋船只可以复制他们的高效推进形式。他发现了游泳水母的流体动力学与人类心脏中的血液流动之间的联系，这可能有助于找到心脏病的指标。

从 2019 年开始，Dabiri 的研究重点转向尝试用电子设备来增强水母，这些电子设备可以收集有关海洋如何应对气候变化的数据。然而，为了开展这个项目，他知道他需要一个更大的水母缸。一个更大的。

为了将水母变成深海科学家，Dabiri首先需要确保它们可以在连接必要的微型电子设备的情况下游泳数天。他意识到，为了看看这是否可行，他需要从他一直在观察水母的 6 英尺高的容器扩大到一个近 20 英尺高的容器，该容器可以容纳一台“水母跑步机”，水流可控，可以让动物在必要时在原地游泳。

“我们在古根海姆航空实验室大楼里发现了一个看起来像电梯井的空间，他们忘记把电梯放进去，”达比里回忆道。“这个想法变成了这个巨大的40,000磅结构，它将悬挂在一个区域上，研究人员可以进入该区域收集特定的测量结果。

虽然 Dabiri 和他的实验室成员以制造自己的仪器为荣，但这个项目超出了他们的专业知识范围。因此，他咨询了专家：一家商业鱼缸公司，以为包括拉斯维加斯度假村和富裕房主在内的客户建造大型水族馆展示而闻名。一组土木工程师帮助设计了坦克的支撑结构，该坦克支撑在近百年历史的墙壁上。

加州理工学院设施的工作人员协调交付和安装，这绝非易事。Dabiri说，该团队在实验室的门上操纵了大量的玻璃纤维和有机玻璃，大约有四分之一英寸的空余空间，然后像乐高积木一样将组件堆叠起来，并用螺栓固定在一起。

“我记得当我们第一次加满油箱时，实际上有那么一刻我们开始听到这些破裂声，”他说。“我和坦克下面的一个供应商在一起，当然，我们匆匆忙忙地冲了出去。事实证明，这只是储罐材料的正常沉降，但它凸显了工程必须非常准确的重要性。

作为最终测试，一名获得水肺认证的研究生潜入水箱，以确保将来能够进入水箱修理组件并取回掉落的物品。“如果有人把iPhone掉进去会怎样？”达比里说。“我们必须考虑让经过认证的潜水员能够进入并取回东西的协议，因为这个水箱有 20 英尺深。”

古根海姆（Guggenheim）现在运行的3,600加仑水箱包含两个电机，用于控制水流，以模拟海洋的上升流和下降流。过滤系统和温度控制使动物保持健康。水箱底部的转动叶片保持水流均匀。

水母跑步机已经导致了科学的发表。最近发表在 《生物灵感与仿生学》（Bioinspiration & Biomimetics ）上的一项研究概述了一项实验的结果，该实验监测了水母，该水母植入了电子设备，以加速其自然脉冲运动，并增加了前身，就像坐在水母铃铛上的帽子一样。由研究生和主要作者Simon Anuszczyk（MS ’22）设计的前身装置旨在使水母更加流线型，并提供放置数据收集传感器和电子设备的地方。Dabiri 和 Anuszczyk 表明，如此装备的水母可以比没有增强的水母游动速度快 4.5 倍，同时携带有效载荷。

Anuszczyk正在研究一种计算机视觉算法，以识别每只水母的位置，并在水族箱中有一个前体，并随着时间的推移对其进行跟踪。“如果动物稍微加快或减速，您希望水箱增加或减少其流量，以将动物保持在跑步机上的位置，”Dabiri 解释道。这样可以对其进行持续监控。“西蒙想出了一种非常聪明的基于人工智能的方法，使用正在观察动物的相机来做到这一点。

像这样的新应用将有助于模拟长途旅行到深海深处，如水下近7英里的马里亚纳海沟。“我们希望能够让水母在跑步机上游泳长达三到四天，这大约是它们从海面游到海沟所需的时间，”达比里补充道。

Dabiri认为该坦克有许多其他研究应用的潜力。例如，他一直在研究盐水虾，这种微小的生物，其游泳运动类似于海洋浮游生物，每天日落时分成群结队地垂直迁徙。了解浮游生物每天产生的水流动态对于了解海底的碳封存或将氧气和营养物质带到地表可能很重要。在垂直跑步机上试验这种流动现象比在 3 英尺的水箱中要容易得多。

“我很高兴我们能够将它变为现实。这是我很高兴回到加州理工学院的原因之一，“Dabiri 说，他在斯坦福大学工作一段时间后于 2019 年回到该研究所。“你可以有一个疯狂的想法，并能够将其付诸实践。”