作者：段晨

编辑：甄曦

不得了了，新加坡科学家开发了机械蟑螂，还让它潜水了！

图中被标记的就是潜水机械蟑螂丨参考文献1

道理我都懂，但是潜水的赛博动物，为什么不直接用水母、海星、章鱼、帝王蟹啊！实在不行直接造会游泳的机器人也行啊，为啥非得送蟑螂下水呢？

赛博蟑螂

以陆为主，水陆两栖

其实，这不是蟑螂第一次被改造成机械搜救动物。新加坡南洋理工大学的Hirotaka Sato团队研究这类机械技术已经超过十年了。

这种赛博蟑螂不是纯机器蟑螂，而是在活体蟑螂上搭载一些机械装置，让人类可以操控它的行动路线。这次的潜水蟑螂是陆地机械蟑螂的2.0版本。2025年，陆地机械蟑螂已经被用于缅甸地震的搜救，这次的潜水蟑螂，主要是为了进一步扩大它的活动范围，在积水区域、氧气稀薄区域，也能承担类似的任务。

哦，对了，它并不是你家出没的美洲大蠊，而是体型更大的马达加斯加发声蟑螂（Gromphadorhina portentosa），体长6厘米，没有翅膀。

为什么不干脆换个天生会游泳的动物？

因为选择什么动物，是由任务本身决定的。改造蟑螂是因为它体型够小，生命力够强，给它背上氧气背包潜水比让水母上岸容易得多。其实也确实有水母的机械化改造，主要利用的是水母的游泳能耗效率，如果有完全在水底的巡航任务，那可能派出赛博水母。如果有需要在海底礁石上呆着不动的任务，可能会考虑交给海星。

那又为什么改造昆虫，而不是直接造水陆两栖的小机器人呢？

去细小的缝隙搜救需要机器人体型小，但是长时间续航又需要大电池，装上大号电池之后机器人体型又不够小了，难以兼顾两种需求。而昆虫运动不需要耗电，完全是自己驱动的，只需要依靠极小的电流控制它的运动方向即可。不控制它的时候它甚至能自己找食物吃，全自动补充体力，什么电池也比不上它。

而且，批量养殖蟑螂的成本，和从零开发一个微型机器人并量产的成本，也完全不能相提并论。因此机械昆虫这条技术路线从技术难度和成本两方面都比机器人更优秀。

如何让机械蟑螂变身水陆两栖？

让昆虫往人类指引的地方走，原理并不复杂，只需要通过简单的电刺激诱导它前进后退或转弯就行。给昆虫穿上电极控制服的技术已经较为成熟了，一种常见方法是在它的触角、腹部、尾端植入电极。最近更新的方法是用表面贴合的电极薄膜，能实现非侵入式操控，就好像给蟑螂贴个创可贴一样。

昆虫腹部贴上电极薄膜丨参考文献6

这次研究团队的创新点主要在潜水服，因为是水陆两栖嘛。在实际的搜救场景中，就算不在水下，也有一些空间是二氧化碳含量极高的。虽然蟑螂给人的印象是在哪都能活，但它也会缺氧，没有氧气的环境里它2分钟左右就会窒息。不过好在给它供氧的原理也不复杂，就是直接插氧气管。

昆虫通过位于胸部、腹部的气门呼吸，给气门直接插管，就好像给人插氧气管一样，然后接上一个化学制氧的小背包，可支持昆虫在水下维持呼吸与运动最长达3小时。制氧的原理也是初中化学学过的：二氧化锰催化过氧化氢溶液分解，持续释放氧气。

因此这套潜水服可以做得非常轻便，像下图这样，只需要一块浸有二氧化锰的海绵，让它和下方的过氧化氢溶液持续缓慢发生反应，然后通过氧气管输送进蟑螂的两对气门中即可。

机械蟑螂的构造丨参考文献1

当然，为了让它能穿过尽可能狭小的地方，氧气背包采取什么形状，让蟑螂背在什么地方，还是需要一番测试。要求是尽可能让它轻便、不增加虫体的厚度（便于钻洞），与此同时不能影响蟑螂的重心，不然容易摔倒起不来。

所以在最终严苛的测试环境中，实验团队把用于控制蟑螂运动的电极背包和微型电池植入了蟑螂体内，然后用3D打印制作了好像尾部延长器一样的树脂外壳来制作潜水用氧气背包，总重量仅5.5克左右，使它能成功穿越高度仅2厘米的窄缝。

机械蟑螂穿过了 2 厘米高的窄缝丨参考文献1

除了这种窄缝测试，研究团队还设计了模拟低氧气加积水的复合灾害隧道（图 A），让没有穿潜水服的蟑螂分别进入充满二氧化碳的区域和完全潜水区域。在二氧化碳环境中，没有潜水服的蟑螂进去几秒钟就缺氧晕厥了（图 B），在完全浸满水的管道中，没有潜水服的（另一只）蟑螂45秒就窒息不动了（图 C）。而穿潜水服的个体从头到尾步态正常，顺利完成了穿越任务（图 D）。

其他赛博动物

本论文的主导者Sato博士在2009年就参与研发了金龟子的无线控制飞行，只不过后来他对赛博昆虫在灾后搜救的应用更感兴趣。而地震、海啸、泥石流等更难以搜索的地方并不是空域，而是各种地下窄缝，因此他的改造对象从甲虫变成了蟑螂。未来他也计划给潜水蟑螂搭载更多的探测向传感器，比如红外热成像用来搜集体温、二氧化碳浓度等数据，来判断是否还有可供呼吸的存活空间。

用来控制动物运动轨迹的机械装置还有很多种方式，植入电极只是其中一种。因为昆虫对体内植入电极不排异，体外（腹部）贴电极薄膜也不会因为运动幅度过大而变形脱落，它们互相适配度高。

前面提到的赛博水母，使用的是微型电子起搏器，通过发射微弱的电脉冲提高水母肌肉的收缩频率，来提高它的游动速度。

对于哺乳动物的运动控制，则是采取脑机接口的方式，用电极刺激来模拟运动指示和反馈。人类最近也采用这一方式来为失去运动功能的人重新获得控制肢体的能力。

虽然当前的研究还是在实验室阶段，但未来或许这套蟑螂用潜水服，也能以某种方式为人类造福呢？

排版：丁小艺

[2]Nicole W.Xu, and John O. Dabiri. 2020. "Low-Power Microelectronics Embedded in Live Jellyfish Enhance Propulsion." Science Advances 6 (5): eaaz3194.