穿潛水服的蟑螂見過沒？能搜救、巡管道，下一步還要奔外星

2025 年 3 月 28 日，緬甸中部發(fā)生 7.7 級地震，造成數(shù)千人遇難。震后，新加坡民防部隊(duì)（SCDF）派出“獅心行動(dòng)”救援隊(duì)抵達(dá)重災(zāi)區(qū)。隊(duì)伍里除了搜救人員和搜救犬，還有一組不尋常的“編外力量”：10 只經(jīng)過特殊改造的馬達(dá)加斯加發(fā)聲蟑螂。

這是人工改造昆蟲首次被部署至真實(shí)任務(wù)場景。技術(shù)來自新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）佐藤裕孝（Hirotaka Sato）教授團(tuán)隊(duì)，他們讓體長約 6 厘米的蟑螂馱著一枚微型電子背包，內(nèi)部集成了紅外攝像頭、傳感器、微控制器和通信模塊。

“蟑螂小隊(duì)”將進(jìn)入人類和常規(guī)救援機(jī)器人都無法觸及的狹窄廢墟縫隙，采集熱信號(hào)、二氧化碳濃度和微弱運(yùn)動(dòng)等信息，由機(jī)器學(xué)習(xí)算法初步判別生命跡象，再將數(shù)據(jù)無線回傳至地面。

最近，團(tuán)隊(duì)在《自然-通訊》（Nature Communications）發(fā)文，介紹了一種可穿戴“潛水服”，蟑螂穿上它可在水下持續(xù)作業(yè) 2~3 小時(shí)。一只被先進(jìn)裝備加持、上天入地?zé)o所不能的“小強(qiáng)”，有望在瓦礫與積水并存的混合災(zāi)難現(xiàn)場中發(fā)揮獨(dú)特作用。

（來源：Hirotaka Sato Group）

賽博格蟑螂得活著，還得干活

賽博格昆蟲（cyborg insect）是指結(jié)合了活體昆蟲與微電子技術(shù)的混合機(jī)器人系統(tǒng)。要控制賽博格蟑螂按人類意愿運(yùn)動(dòng)，原理并不復(fù)雜。佐藤裕孝團(tuán)隊(duì)在其觸角末端和腹部第三節(jié)分別植入鍍特氟龍銀線電極，以此向神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)送微弱電脈沖，傳遞“身體某側(cè)受到威脅”的假信號(hào)，蟑螂的中樞神經(jīng)接收信號(hào)后，就會(huì)本能地向反方向移動(dòng)。

研究人員采用一塊 10 毫米見方的定制電路板作為無線刺激模塊，僅 3~4 伏、持續(xù) 0.6 秒的電壓脈沖就足以控制蟑螂前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，內(nèi)置的鋰電池充一次電能用數(shù)小時(shí)。這套系統(tǒng)中，人類只用發(fā)送方向指令，無需直接驅(qū)動(dòng)肌肉、關(guān)節(jié)和感知系統(tǒng)，蟑螂在生物學(xué)上仍是完整活體。

陸生昆蟲沒有肺，呼吸通常由位于胸部的氣門（spiracle）完成，空氣從氣門直接進(jìn)入體內(nèi)的氣管網(wǎng)絡(luò)，氧氣以擴(kuò)散方式抵達(dá)組織細(xì)胞。一旦氣門浸沒水中，蟑螂在兩分鐘內(nèi)就會(huì)窒息，這嚴(yán)重限制了賽博格昆蟲參與水下任務(wù)。

為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)為蟑螂設(shè)計(jì)了一套可穿戴的自產(chǎn)氧潛水服。

其中最重要的是化學(xué)產(chǎn)氧模塊。潛水服的反應(yīng)艙借助高中化學(xué)課本里的經(jīng)典反應(yīng)：二氧化錳（MnO?）在中性條件下自發(fā)催化分解過氧化氫（H?O?），不需要任何電子元件或外部能源，產(chǎn)物只有無害的水和氧氣。

為控制反應(yīng)速率，避免產(chǎn)生劇烈氣泡、干擾蟑螂運(yùn)動(dòng)，研究人員把二氧化錳粉末塞進(jìn)一塊親水纖維素海綿，反應(yīng)被限制在固-液微界面上分散進(jìn)行，進(jìn)而使將產(chǎn)氧速率降至適宜水平。

團(tuán)隊(duì)還在反應(yīng)艙頂蓋嵌入了一層疏水聚四氟乙烯（PTFE）微孔膜，僅允許氣體通過，避免液體滲漏和二氧化錳粉末的逸出。紅外熱成像顯示，反應(yīng)過程中，艙體溫度始終穩(wěn)定在 23.6~24.0℃之間，未產(chǎn)生局部熱積聚。團(tuán)隊(duì)還對 5 只穿戴潛水服的蟑螂進(jìn)行了 3 天觀察，全部存活、行為正常。

研究人員使用彈性樹脂作為 3D 打印材料，造出厚約 1 毫米的包裹性防水外殼，兼作氧氣儲(chǔ)運(yùn)艙。團(tuán)隊(duì)最初嘗試把產(chǎn)氧模塊裝在背部，但由于重心改變加之水下阻力過大，蟑螂頻繁翻倒。最終方案是把產(chǎn)氧艙定位在腹部末端，用錐形殼體連至腹部。殼體前端與蟑螂第一腹節(jié)之間用彈性丁腈橡膠膜密封，既能防水，也能容納個(gè)體尺寸差異和運(yùn)動(dòng)中的身體形變。

蟑螂的兩對胸氣門結(jié)構(gòu)并不相同：前胸氣門可見凹槽形的氣門瓣；中胸氣門只有一個(gè)小孔。為同時(shí)給兩對氣門輸氧，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩種不同規(guī)格的 3D 打印硅膠連接器：前胸氣門連接器是一個(gè)完全包住氣門瓣的匙形罩蓋；中胸氣門連接器則是一根內(nèi)徑 0.3 毫米、外徑 0.4 毫米的細(xì)管，直接插入小孔。四根硅膠導(dǎo)管連通產(chǎn)氧艙與兩對氣門，形成密閉的輸氧通路。

圖 | 蟑螂潛水服的輸氧系統(tǒng)（來源：Nature Communications）

蟑螂穿戴潛水服后，內(nèi)部氧濃度峰值可達(dá) 50% 左右，3 小時(shí)后仍維持在約 14.8% 的水平，遠(yuǎn)高于昆蟲維持正常生理功能所需的 5% 氧濃度下限。

運(yùn)動(dòng)靈活性方面，穿戴潛水服的蟑螂在陸地的平均前進(jìn)速度為 87.5 毫米/秒，水下僅微降至 78.4 毫米/秒，不過轉(zhuǎn)向速度受水下阻力影響較大。若按體長計(jì)算，這類潛水服蟑螂的陸地和水下運(yùn)動(dòng)速度均優(yōu)于當(dāng)前多數(shù)兩棲機(jī)器人。

整套潛水服重量不到 6 克，加上防水處理后僅重 0.7 克的電子背包，整套負(fù)載仍遠(yuǎn)低于其可承受的最大負(fù)載。

為驗(yàn)證這套系統(tǒng)在真實(shí)極端場景中的可用性，團(tuán)隊(duì)搭建了一條模擬災(zāi)難現(xiàn)場的 1.7 米兩棲障礙隧道，前段充滿高濃度二氧化碳、后段浸水。作為對照，普通蟑螂進(jìn)入二氧化碳段僅數(shù)秒后便失去響應(yīng)；另一只被引導(dǎo)進(jìn)入水段后，45 秒內(nèi)就因窒息完全停止運(yùn)動(dòng)。而穿戴潛水服的賽博格蟑螂全員成功穿越兩個(gè)危險(xiǎn)區(qū)，且行為正常，步態(tài)穩(wěn)定。

（來源：Nature Communications）

為了讓蟑螂鉆進(jìn)更狹窄的水下縫隙，團(tuán)隊(duì)還測試了一種“全內(nèi)置”配置：將控制背包和電池植入蟑螂體內(nèi)。這一配置不僅讓蟑螂成功穿越僅 2 厘米高的水下裂縫，還因內(nèi)部質(zhì)量分布更接近中軸而降低重心，減少水下翻倒。

上天入地，未來還要送賽博格蟑螂進(jìn)外星

佐藤裕孝對賽博格昆蟲的研究始于 2008 年。彼時(shí)他在美國加州大學(xué)伯克利分校擔(dān)任博后，主導(dǎo)了一項(xiàng)對花金龜?shù)母脑欤⑹状瓮ㄟ^植入式無線微系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制活體甲蟲的飛行狀態(tài)。該成果入選 2009 年《時(shí)代》（Time）雜志的“年度 50 大發(fā)明”和《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）的“十大新興技術(shù)”。

（來源：MIT Technology Review）

受到 2011 年日本大地震的觸動(dòng)，佐藤裕孝將研究對象逐步轉(zhuǎn)向馬達(dá)加斯加發(fā)聲蟑螂。這種昆蟲雖不會(huì)飛，但體格結(jié)實(shí)、5.5 克的身軀可承載近 3 倍于體重的質(zhì)量，加上性格相對沉穩(wěn)，成為地面搜救場景的理想載體。

佐藤裕孝與合作者陸續(xù)對蟑螂進(jìn)行了一系列改造。2022 年，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出可無線充電的蟑螂控制背包，太陽能充電模塊的加入使賽博格蟑螂具備長時(shí)間戶外作業(yè)的可能。

蟑螂一旦“習(xí)慣”了反復(fù)的電刺激，響應(yīng)就會(huì)逐漸減弱。2024 年，團(tuán)隊(duì)提出帶有刺激調(diào)節(jié)和“打破習(xí)慣化”功能的導(dǎo)航算法，把持續(xù)可控運(yùn)動(dòng)時(shí)間從半小時(shí)延長至 2 小時(shí)以上，同時(shí)將刺激電壓降低 25%，減少過度刺激帶來的疲勞。

單只蟑螂能覆蓋的范圍有限，2025 年初，團(tuán)隊(duì)發(fā)表群體導(dǎo)航算法，引入生物-人工混合的啟發(fā)式反饋機(jī)制，多只賽博格蟑螂可在未知復(fù)雜地形中協(xié)同行進(jìn)、減少滯留，人工干預(yù)次數(shù)比此前算法減少約 50%。

最后還有改造效率問題，即使是訓(xùn)練有素的操作員，人工組裝一只賽博格蟑螂也需要 1 小時(shí)以上。2025 年 7 月，團(tuán)隊(duì)在《自然-通訊》發(fā)表了全球首條賽博格昆蟲自動(dòng)化裝配線：計(jì)算機(jī)視覺引導(dǎo)的機(jī)械臂識(shí)別蟑螂背部的最佳植入位置，自動(dòng)完成電極植入和背包安裝，僅需 1 分 8 秒即可組裝一只。

既然改造一只活蟑螂要費(fèi)這么大力氣，為何不直接造一臺(tái)機(jī)械蟑螂機(jī)器人？

原因在于，昆蟲是自然界長期演化的產(chǎn)物，其步態(tài)控制、地形適應(yīng)、快速轉(zhuǎn)向和感知反饋的效率遠(yuǎn)超同尺寸機(jī)械微型機(jī)器人。其次是功耗問題，賽博格昆蟲僅需搭載傳感和低功耗信號(hào)刺激等電子元件，即可驅(qū)動(dòng)生物體長時(shí)間活動(dòng)，功耗和續(xù)航優(yōu)于同類純機(jī)械方案。

但這也帶來了相應(yīng)代價(jià)，昆蟲的作業(yè)范圍受限于可使其存活的物理?xiàng)l件。近 20 年來，佐藤裕孝一直試圖借助人工改造，讓它們適應(yīng)更多更極端的環(huán)境，同時(shí)保持穩(wěn)定可用性。

賽博格蟑螂的落地場景正從搜救擴(kuò)展到基礎(chǔ)設(shè)施巡檢。2025 年初，團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了一個(gè)新試點(diǎn)：把賽博格蟑螂送進(jìn)城市地下管道，檢查腐蝕和滲漏。

新加坡?lián)碛屑s 6,000 公里長的供水網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)管道巡檢依賴人工檢測或大型機(jī)器人，覆蓋率有限。這套配置在原有背包基礎(chǔ)上加裝了彩色攝像頭、LED 照明和通信模塊。蟑螂在管道底部爬行，攝像頭可拍攝管壁并通過機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別缺陷。

該方案的優(yōu)勢主要在于尺寸：蟑螂可以鉆進(jìn) 2 厘米寬的縫隙，但大部分機(jī)械設(shè)備做不到這一點(diǎn)。項(xiàng)目正在新加坡濱海高速公路（MCE）沿線的模擬管道環(huán)境中測試，研究人員正與相關(guān)機(jī)構(gòu)商談?wù)嬲M(jìn)入管網(wǎng)的可能。

圖 | 室外水下狹窄縫隙穿越（來源：Nature Communications）

任何涉及活體動(dòng)物改造的研究都會(huì)引起倫理討論。相比脊椎動(dòng)物，學(xué)界對昆蟲是否具有主觀痛苦體驗(yàn)尚未達(dá)成明確共識(shí)。不過，該實(shí)驗(yàn)中蟑螂的行為和存活指標(biāo)未見異常。論文明確指出，實(shí)驗(yàn)蟑螂氣門處的黏合劑可清除，褪去潛水服后可正常活動(dòng)。

未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)擴(kuò)展這套賽博格昆蟲系統(tǒng)。例如集成微型氧濃度傳感器和微泵，實(shí)現(xiàn)按需靈活供氧等。此外，驗(yàn)證水下場景后，佐藤裕孝計(jì)劃帶蟑螂走入更極端的環(huán)境，如在極端溫度、真空和輻射條件下測試賽博格昆蟲的生存與作業(yè)能力，未來甚至可能將其用于火星等缺氧的地外環(huán)境。

作為在地球上繁衍了 3 億年的物種，蟑螂或許怎么也想不到，短短十幾年間，它們被僅有約 30 萬年物種歷史的人類改造并操控，實(shí)現(xiàn)“賽博飛升”。

參考內(nèi)容：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-74235-1

https://hirosatontu.wordpress.com/

https://www.technologyreview.com/2009/02/24/215689/the-10-emerging-technologies-of-2009/

運(yùn)營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成