仿生水母的游泳速度可提高三倍

有些人需要一杯咖啡才能真正动起来。对于水母来说，一股电流显然能起到作用。科学家在活水母体内植入了微型控制器，利用电脉冲来指挥动物的运动。借助这种电辅助，这些动物的游动速度几乎是普通水母的三倍，而消耗的能量却只有普通水母的两倍。假肢不会伤害动物，研究人员希望利用这种涡轮增压水母探索世界海洋。

加州理工学院机械工程师约翰·达比里 (John Dabiri) 表示：“我们希望这项技术能够让我们首次了解大部分海洋中正在发生的事情。”他于 1 月 29 日在《科学进展》杂志上发表了这一研究成果。

不起眼的水母可能没有大脑，但它确实具有令人印象深刻的特点，即它是所有游泳动物中最节能的。“这在一定程度上要归功于它们的进化传统，它们是大约 5 亿年前第一批学会游泳的动物，”达比里说。水母通过收缩和放松它们的钟形体来移动；这些脉动运动会产生甜甜圈状的水涡，称为涡环，推动动物向前，而它们不需要付出太多努力。

在为水母配备外骨骼式装备之前，研究人员首先制造了柔软、灵活的机器人，以模仿海洋动物的游泳动作。然而，这些机器人比真正的动物需要更多的能量，而且通常由电源线束缚。达比里还与哈佛大学的研究人员合作，用老鼠心肌细胞制造出耗电量较低的水母。他们可以通过收缩肌肉细胞来控制人造水母，但这种精密的机器人无法在实验室外运作。

达比里和他的同事、斯坦福大学的妮可·徐决定利用真实水母的力量。这些动物可以自己觅食，因此只需要一点额外的能量来控制假肢。它们还占领了海洋的每一部分——从北极到热带水域，从海面到马里亚纳海沟深处。

“它们已经在我们想要探索的领域开展业务，”达比里说。“那么问题就在于我们如何赋予它们大脑，以便我们能够告诉它们何时何地行动？”

他们将微电控制器植入活海月水母体内，这种物种在世界各地的野生和水族馆中都很常见。研究小组预计，装有假肢的水母会比普通水母游得更快。“更令人惊讶的是，它们在高速下游得更有效率，”达比里说。相对于它们的大小，这种杂交水母所需的功率比其他水上机器人少 10 到 1,000 倍。

达比里说，野生的海月水母可能不需要利用这些潜在的推进力。普通水母实际上并不会试图从一个点游到另一个点；其高效的游泳动作主要用于捕捉猎物。如果水母能用这些悠闲的动作从周围的水中将食物吸引到它们等待的触手中，就没有必要匆忙了。

快车道上的生活似乎也没有对水母造成伤害。这些动物没有中枢神经系统或痛觉受体。水母在紧张的情况下确实会分泌粘液，但达比里和徐在实验期间没有观察到海月水母有这种黏糊糊的行为。当他们移除植入物时，水母又恢复了正常游动。

最终，达比里计划在水母身上安装传感器，这样科学家就可以将它们送入海洋深处。目前探索这个黑暗、寒冷领域的遥控潜水器通常只够维持 12 到 24 小时的航行。“深海中有很多生命我们根本无法观察到，”达比里说。

增强型水母还可以收集有关海洋气候的宝贵信息。达比里设想，这些动物将在世界各地的海洋中漫游，并配备传感器来测量水温、盐度、酸度或氧气水平等关键变量。水母甚至可以收集有关栖息在海洋不同部分的微生物的数据。

在水母执行这些任务之前，研究人员需要弄清楚如何引导它们朝不同的方向游动。他们目前正在试验向水母身体的不同部位发送电脉冲，让它们转向。达比里说，通过让水母一侧的肌肉一次收缩，他们可以促使水母改变方向，甚至掉头。