研究人员创造了更快，更高效地游泳的仿生水母

徐和达比里设计的植入物增强了艺术家对水母的渲染效果。

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泳能力。

加州理工学院和斯坦福大学的工程师们已经开发出一种微型假肢，可以使水母比平时更快，更有效地游泳，而又不会给动物造成压力。该项目背后的研究人员预见了未来，可以指导配备传感器的水母探索和记录有关海洋的信息。

水母通过脉动来推动自己向前，在它们移动以捕获猎物时将其触角扭动。这种新的假肢使用电脉冲来调节并加快脉动，类似于心脏起搏器调节心律的方式。该装置在水中呈中性浮力，直径约为2厘米，并通过一个小的木制倒钩连接到水母身上。

由加州理工学院的约翰·达比里（MS 03，PhD 05），航空和机械工程百年教授以及斯坦福大学的研究生Nicole Xu（MS 15）领导的这项研究已发表在科学进步杂志上。

通常，水母以每秒约2厘米的速度游泳。尽管它们能够更快地运动，但是这样做并没有帮助他们捕获猎物，这是他们使用触手挥舞的“游泳”动作的典型原因。

在论文描述的研究中，Dabiri，Xu及其同事为水母配备了微电子控制器，其脉冲频率比动物通常的身体脉冲快三倍。动物的搏动加快，游泳速度相应提高到每秒4至6厘米。

除了使水母更快外，电子震动还使它们更有效地游泳。尽管水母的游泳速度比平时快三倍，但它们消耗的能量却只是其两倍（以游泳时动物消耗的氧气量来衡量）。实际上，配备假肢的水母的效率是游泳机器人的1,000倍以上。

“我们已经证明，它们的运动能力比平时快得多，而且无需花费过多的新陈代谢，” Xu说。“这表明水母具有更快，更有效的游泳能力，尚待开发。他们只是通常没有理由这样做。”

应该注意的是，对水母进行了严密监控，以确保它们没有受到伤害。水母没有大脑或疼痛感受器，但是发现它们在压力下会分泌粘液，并且在此实验中未观察到这种分泌物。此外，一旦去除假体，水母就会恢复正常游泳。

这项研究代表了达比里在过去十年中一直在加州理工学院和斯坦福大学参与的生物启发式机器人工作的两条脉络之间的“中间地带”。一种涉及纯机械组件的使用，另一种涉及纯生物材料的使用。

通过使用纯机械系统，Dabiri已成功构建了看上去像真实动物但需要更多能量来完成相同任务的机器人。他说：“我们还没有捕捉到生物系统的优雅之处。”但是，尽管它们比机器人更优雅，但纯生物系统却更加脆弱。确实，达比里（Dabiri）与哈佛大学的同事合作表明，大鼠心脏细胞可以对电场作出反应-这可能使它们成为生物设备的有用组成部分-但这些细胞只能在实验室条件下存活。

许先生于2013年在加州理工学院开始为水母添加机械控制装置的工作，当时徐是一名本科生，在达比里（Dabiri）的实验室做夏季本科研究奖学金（SURF）。达比里（Dabiri）因其丰富而对利用水母进行海洋探索和感知感兴趣：当前实验中使用的物种遍布地球的整个海洋，深度范围从深沟的表面到底部。

“仅探索了海洋体积的5％到10％，因此我们想利用这样一个事实，即到处都有水母，这比基于船载的测量技术有了飞跃，由于成本高昂，数量有限”，Dabiri说。“如果我们能够找到一种方法来引导这些水母，并为其配备传感器来跟踪海洋温度，盐度，氧气含量等，那么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只需花费数美元。美元以作为工具，并从海洋中已经存在的猎物中获取能量。”

目前，假肢可以引导水母开始游泳并控制步伐。达比里说，下一步将是开发一种系统，该系统在特定方向上引导海ly，并使它们能够响应来自车载传感器的信号，他希望开发甚至可以完全嵌入海el组织中的更小的电子控件，从而他们是永久性的但没有引起注意的假肢。

这项研究的标题是“嵌入在活水母中的低功率微电子技术可以增强推进力。”这项研究是由美国国家科学基金会资助的。

参考：Nicole W. Xu和John O.Dabiri撰写的“嵌入在活水母中的低功率微电子技术增强了推进力”，科学进展，2020年1月29日。
10.1126 / sciadv.aaz3194
20200129-114905734