工程師竟讓水母強(qiáng)制提速，他們要干什么？

都知道火車提速，那你聽說(shuō)過(guò)水母提速嗎？

最近，來(lái)自加州理工和斯坦福大學(xué)的工程師們對(duì)水母做了奇怪的事情：通過(guò)簡(jiǎn)單的“電子改裝”，它們讓水母游泳速度大增，提高到了平時(shí)的三倍。這些改裝水母還登上了《科學(xué)進(jìn)展》期刊的封面[1]。

給水母提速，這是要干什么？水母能樂(lè)意嗎？

提速后（上）VS提速前（下），3倍速回放 | caltech

如何為水母提速

這項(xiàng)研究選擇了海月水母（Aurelia aurita）作為改造對(duì)象。簡(jiǎn)單說(shuō)，研究者們的改造就像是給水母植入了 “起搏器”，只不過(guò)它控制的不是心跳，而是水母游泳的頻率。

水母通過(guò)環(huán)形肌肉的收縮來(lái)控制游泳。當(dāng)收到來(lái)自神經(jīng)起搏點(diǎn)的信號(hào)時(shí)，肌肉帶動(dòng)整個(gè)傘體內(nèi)腔收縮，將傘體內(nèi)的水噴出，為水母提供向前運(yùn)動(dòng)的推力。而外來(lái)的電流刺激同樣可以激活這一動(dòng)作。

研究者為水母植入的控制器組件包括電子起搏器、鋰電池和兩個(gè)電極，以及便于觀察電流脈沖的LED燈?？刂破魍ㄟ^(guò)一根木刺插入水母的傘體中進(jìn)行固定，兩個(gè)電極嵌入傘形邊緣的肌肉組織中。

因?yàn)閲L試粘合劑失敗，研究者用木簽進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單粗暴的固定 | Nicole W. Xu and John O. Dabiri

在脈沖電流的刺激下，水母的運(yùn)動(dòng)頻率加快，游泳速度也有了明顯的提升：從秒速2厘米提高到了每秒4-6厘米，最快時(shí)速度將近是原來(lái)的3倍。

在大幅提速的同時(shí)，“改裝水母”的能量消耗并沒(méi)有增加太多。耗氧量的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，提速后的水母移動(dòng)單位距離消耗的能量只上升到了原來(lái)的2倍。

為啥要這樣？

水母游得好好的，為什么要讓人家提速？研究者的目標(biāo)是借用水母制造更高效的水下探測(cè)器。

此前，工程師們利用人造材料制造了很多仿生水下機(jī)器人，它們可以游出與生物相近的速度，但能耗和生物相比還是太高了。既然如此，為何不試試直接利用生物？這樣一來(lái)，電子起搏器的部分只需要10毫瓦功率就夠了，制作成本也只需要幾美元。根據(jù)論文，這種“電子改裝水母”的能效比現(xiàn)有的水下機(jī)械機(jī)器人高出了10-1000倍。

目前人類勘測(cè)到的水域只是海洋的很小的一部分，現(xiàn)有的基于船舶的勘測(cè)技術(shù)效率非常有限并且造價(jià)昂貴，而水母在很大范圍內(nèi)的深度、鹽度、溫度、氧濃度的海域中都能存活，具有成為“海洋勘探員”的潛質(zhì)。

期刊封面圖對(duì)“改裝水母”監(jiān)測(cè)海洋展開了暢想 | Science Advance

等等！水母沒(méi)事嗎？

聽起來(lái)似乎有點(diǎn)道理，但愛水母人士想必還是會(huì)提出反對(duì)：這么折騰水母，它們真的沒(méi)事嗎？

海月水母：欺負(fù)我沒(méi)腦子是不是？| Alexander Vasenin/Wikipedia

對(duì)此，論文作者倒是也進(jìn)行了一番解釋。首先，水母并沒(méi)有大腦或疼痛感受器，安裝控制器的過(guò)程看起來(lái)并不會(huì)對(duì)水母產(chǎn)生太大傷害，而且傷口可以在數(shù)天后愈合。其次，在實(shí)驗(yàn)中，他們密切觀察了水母的變化，結(jié)果并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)應(yīng)激分泌粘液的跡象。取下控制器后，水母?jìng)円材芑謴?fù)到平時(shí)正常的游泳速度。

而下一步的問(wèn)題，大概就是如何讓水母按照研究者希望的方向游泳了。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://advances.sciencemag.org/content/6/5/eaaz3194/tab-article-info

作者：ARU

編輯：窗敲雨

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