Low-power microelectronics embedded in live jellyfish enhance propulsion

嵌入活水母中的低功耗微電子器件增強(qiáng)了推進(jìn)力

來源： Xu and Dabiri, Sci. Adv. 2020; 6 : eaaz3194 29 January 2020

 

摘要核心發(fā)現(xiàn)

 

本研究開發(fā)了一種生物混合機(jī)器人，通過在活體水母（Aurelia aurita）體內(nèi)植入微型電子控制器（圖1），實現(xiàn)對其游動的外部控制：

 

游速提升：外部電刺激使水母游速最高提升2.8倍（圖3B），代謝消耗僅增加2倍，外部功耗僅10mW。

 

能效突破：系統(tǒng)能效比現(xiàn)有水生機(jī)器人高10-1000倍（圖4），為深海監(jiān)測提供新方案。

 

生物學(xué)意義：首次揭示水母存在隱藏的游動潛力（高頻收縮能力），挑戰(zhàn)了對其生理極限的傳統(tǒng)認(rèn)知。

 

研究目的

 

1.工程目標(biāo)：

 

解決軟體機(jī)器人驅(qū)動效率低、續(xù)航短的問題，利用水母天然的高推進(jìn)效率（低運輸成本COT）。

2.科學(xué)目標(biāo)：

 

通過外部控制探索水母游動的生理極限，驗證“提高收縮頻率可提升游速”的假說（圖6）。

 

研究思路

 

1. 生物-電子融合設(shè)計（圖1）

 

 

控制器：微型處理器（TinyLily） + 鋰電池（10mAh） + 鉑電極，總重<2g，中性浮力設(shè)計。

 

植入方式：電極插入傘蓋下肌肉組織（圖1E），通過電脈沖（3.7V, 10ms）驅(qū)動肌肉收縮。

 

2. 實驗驗證

 

 

 

信號驗證：植入標(biāo)記點追蹤肌肉位移，頻譜分析（SSAS）確認(rèn)電刺激可精準(zhǔn)控制收縮頻率（圖2G）。

 

游速測試：在1.8m水槽中垂直游動實驗，測量不同刺激頻率（0-1Hz）下的游速（圖3B）。

 

代謝監(jiān)測：使用丹麥Unisense微氧電極測量組織內(nèi)/外氧濃度，計算能量消耗（圖5）。

 

3. 性能對比

 

 

對比仿生機(jī)器人（如Robojelly）、AUV的能效（圖4），量化生物混合系統(tǒng)的優(yōu)勢。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 游動性能提升（圖3B）

 

 

數(shù)據(jù)：0.5Hz刺激下，游速達(dá)3.8 cm/s（自然狀態(tài)1.4 cm/s），提升2.8倍。

 

意義：證明水母存在超生理頻率的游動潛力，為高性能水下機(jī)器人設(shè)計提供新思路。

 

2. 能效優(yōu)勢（圖4）

 

 

數(shù)據(jù)：系統(tǒng)功耗僅0.12 W/kg（0.88Hz時），比機(jī)械水母（如Robojelly的1.5 W/kg）低10倍，比AUV（125 W/kg）低1000倍。

 

意義：突破軟體機(jī)器人能效瓶頸，實現(xiàn)長期無纜作業(yè)。

 

3. 代謝成本（圖5D, 圖6）

 

數(shù)據(jù)：游速提升2.8倍時，代謝耗氧量僅增加2倍（COT從0.6 J/m升至1.2 J/m）。

 

意義：揭示水母肌肉的高能量利用率，反駁“高頻運動必然高耗能”的假設(shè)。

 

4. 頻率響應(yīng)極限（圖2H）

 

 

數(shù)據(jù)：肌肉收縮最高響應(yīng)頻率為1.5Hz（超文獻(xiàn)記錄的1.4Hz生理極限）。

 

意義：修正水母生物力學(xué)模型，為仿生驅(qū)動設(shè)計提供準(zhǔn)確參數(shù)。

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的獨特價值

技術(shù)突破

 

 

雙通道測量：同時監(jiān)測水體溶解氧（圖5A）和組織內(nèi)氧濃度（圖5B），首次實現(xiàn)活體水母代謝的原位量化。

 

高時空分辨率：微探針（430μm）精準(zhǔn)定位組織氧梯度，避免傳統(tǒng)耗氧儀的群體平均誤差。

 

關(guān)鍵科學(xué)發(fā)現(xiàn)

 

1.代謝與游頻的解耦現(xiàn)象（圖5D）：

 

組織氧耗在0.5Hz達(dá)峰值，但水體氧耗穩(wěn)定，表明高頻游動主要依賴局部肌肉代謝，而非全身性耗氧增長。

 

解釋游速提升2.8倍僅需2倍代謝增加的原因。

2.能量分配策略（圖6）：

 

實驗COT（黑點）低于立方功率模型預(yù)測（紅線），揭示水母高效的能量捕獲機(jī)制（如渦流被動能量回收）。

3.生理健康評估：

 

0.88Hz刺激下組織氧濃度未顯著下降（圖5C），證明外部控制未引起缺氧應(yīng)激，保障動物福利。

 

應(yīng)用意義

 

 

機(jī)器人優(yōu)化：Unisense數(shù)據(jù)指導(dǎo)微電子功耗（<10mW）與動物代謝的平衡，實現(xiàn)超低功耗運行。

 

生態(tài)研究：提供活體生物代謝實時監(jiān)測新工具，助力深海生物能效研究。

 

結(jié)論

 

1.工程突破：生物混合水母機(jī)器人實現(xiàn)三倍游速提升、千倍能效優(yōu)勢，為可持續(xù)海洋監(jiān)測樹立新標(biāo)桿。

2.科學(xué)啟示：水母肌肉具備超生理頻率收縮潛力，且代謝成本可控，顛覆對其游動機(jī)理的認(rèn)知。

3.技術(shù)普適性：Unisense電極的應(yīng)用證明微電子-生物接口在量化生理參數(shù)中的不可替代性。

 

未來方向：開發(fā)非對稱電極實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，集成傳感器拓展生態(tài)監(jiān)測功能。