Bionic Jellyfish Swim Faster and More Efficiently

加州理工学院斯坦福大学的工程师们已经研制出一种微小的假体,它能使水母比平常游得更快、更有效,而不会给动物造成压力。该项目背后的研究人员设想,未来配备传感器的水母可以直接探索和记录海洋信息。

水母用一种脉动运动来推动自己前进,当它们捕捉猎物时,会挥动触须。这种新型的假肢使用电脉冲来调节——并加速——这种脉冲,类似于心脏起搏器调节心率的方式。该装置在水中具有中性浮力,直径约2厘米,通过一个小木倒钩固定在水母体内。

这项研究由加州理工学院的John Dabiri(03级,05级,博士),航空和机械工程的百年教授和斯坦福研究生Nicole Xu(15级)领导,发表在1月29日的《科学进展》杂志上。

一般来说,水母的游动速度约为每秒2厘米。虽然它们可以更快地移动,但这样做并不能帮助它们诱捕猎物,它们使用挥动触须的游泳动作的典型理由是。

在论文中描述的研究中,Dabiri, Xu和他的同事给水母配备了一个微电子控制器,其频率比动物快三倍。通常的脉冲。动物# x27;脉动加快,使它们的游泳速度相应提高到每秒4-6厘米左右。

除了让水母游得更快外,电击还让它们游得更有效率。虽然水母游泳的速度比平常快三倍,但它们只消耗了两倍的能量(根据动物在游泳时消耗的氧气量来衡量)。事实上,配备假肢的水母的效率是游泳机器人的1000多倍,徐说。

“我们已经证明,它们可以比正常情况下移动得快得多,而不会对新陈代谢造成不适当的影响,”" Xu说。"这表明水母拥有一种未被开发的更快、更有效率的游泳能力。他们通常没有理由这样做

应该注意的是,这些水母受到了严密的监控,以确保它们没有受到伤害。海蜇没有大脑或痛觉感受器,但人们发现它们在受到压力时分泌粘液,在本实验中没有观察到这种分泌。此外,一旦移除假体,水母就会恢复正常游泳。

这项研究代表了"middle ground"之间的两个静脉仿生机器人的工作,达贝里已经参与了过去十年,在加州理工学院和斯坦福大学。一种是使用纯机械部件,另一种是使用纯生物材料。

利用纯机械系统,Dabiri已经成功地制造出了看起来像真正动物但需要更多能量才能完成同样任务的机器人。他指出,我们还没有捕捉到生物系统的优雅之处。然而,尽管它们比机器人更优雅,但纯粹的生物系统要脆弱得多。事实上,在与哈佛大学同事的合作中,Dabiri已经证明老鼠的心脏细胞可以对电场产生反应——这可能使它们成为制造生物设备的有用材料——但是这些细胞只能在实验室条件下存活。

努力增加机械控制水母始于2013年加州理工学院当徐是本科学生做暑期本科生研究奖学金(冲浪)达比利# x27; s实验室。达比利海洋勘探和利用水母感应很感兴趣因为他们的丰富:在当前使用的物种实验可以发现整个大地的# x27;海洋,深度从表面到深沟的底部。

" Dabiri说:“只有5%到10%的海洋体积被探索过,所以我们想利用水母无处不在这一事实,来实现从船载测量的飞跃。由于成本高,船载测量的数量有限。”"If我们可以找到一种方法来直接这些水母也配备传感器跟踪海洋温度、盐度、氧含量,等等,我们可以创建一个真正的全球海洋的网络,其中每个水母机器人成本几块钱仪器和提要ocean."从猎物已经自己能量

目前,该假肢可以指导水母开始游泳并控制速度。下一步将是开发一个系统在特定方向和指导水母,允许他们从机载传感器响应信号,达比利说,他希望开发更小的电子控制,可以完全嵌入到水母# x27;组织,使其永久但忽视假肢。

这项研究名为"低功率微电子嵌入活水母增强推进。这项研究是由国家科学基金会资助的。

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