构建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，什么都不会。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，而人类尽管如此老练，却无法做到这一点

但如果人类能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一项新研究旨在通过创造研究人员所称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半机械人，它们用增强水母游泳能力的电子设备和一顶可以携带小型有效载荷的假“帽子”来增强水母的能力，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》杂志上，是在航空与机械工程百年教授John Dabiri的实验室进行的，并建立在他之前增强水母的工作基础上。达比里这项研究的目标是使用水母作为机器人数据采集者，将它们送入海洋，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

达比里说：“众所周知，海洋对决定我们现在和未来的陆地气候至关重要，然而，我们对海洋的了解仍然少得惊人，尤其是远离地表的海洋。”。“我们的目标是最终通过采取一种非传统的方法来移动指针，这种方法的灵感来自于少数已经成功探索整个海洋的动物之一。”

在他的整个职业生涯中，Dabiri一直在寻找包括水母在内的自然世界来解决工程挑战的灵感。这项工作始于达比里实验室早期的尝试，即开发一种像水母一样游泳的机械机器人，这是任何生物中最有效的在水中游泳的方法

尽管他的研究团队成功地创造了这样一个机器人，但这个机器人永远无法像真正的水母那样高效地游泳。这时，达比里问自己，为什么不自己研究水母呢

来源：加州理工学院“水母是最早的海洋探险家，它们到达了最深的角落，在热带或极地水域也同样繁荣，”Dabiri说。“由于水母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，以符合伦理原则的方式开发这种生物混合机器人应用程序。”

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平时悠闲的速度更快，动物的效率就会更高。水母游得比平时快三倍，消耗的能量只有平时的两倍。

这一次，研究团队更进一步，在水母中添加了他们所说的前身。这些祖先就像是坐在水母钟（动物的蘑菇状部分）顶上的帽子。这些设备是由研究生兼首席作者Simon Anuszczyk设计的，他旨在使水母更加流线型，同时提供一个可以携带传感器和其他电子设备的地方

Anuszczyk说：“就像箭头的尖端一样，我们设计了3D打印的前体，以简化水母机器人的钟形结构，减少阻力，提高游泳性能。”。“与此同时，我们进行了3D打印实验，直到我们能够小心地平衡浮力并保持水母垂直游动。”

为了测试增强的水母的游动能力，达比里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低于地表的海洋条件数据

达比里说：“在海洋中，水母从表面到几千米的往返需要几天时间，所以我们想开发一种在实验室研究这一过程的设施。”。“我们的垂直水箱可以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——可能是同类设备中的第一台垂直水上跑步机——将对其他各种基础和应用研究问题有用。”

有前体和无前体的水母在穿过三层水箱时的游泳速度可以进行比较。（图中坦克旋转了90度）来源：加州理工学院在坦克中进行的游泳测试表明，配备了游泳起搏器和前体的水母在携带有效载荷的情况下，游泳速度是全天然水母的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一种有吸引力的选择，而不是租用一艘每天运行成本超过5万美元的研究船

达比里补充道：“通过利用水母在深海中承受极端压力的自然能力和通过进食为自己提供动力的能力，我们的工程挑战要可控得多。”。“我们仍然需要设计传感器包来承受同样的挤压压力，但该设备比垒球小，比在这些深度运行的全潜艇更容易设计。

”我真的很高兴看到我们第一次只需观察海洋的这些部分就能学到什么，”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。现在，它们只能在直线上游得更快