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工程师竟让水母强制提速,他们要干什么?

果壳 03-11 15:45 关注

都知道火车提速,那你听说过水母提速吗?

最近,来自加州理工和斯坦福大学的工程师们对水母做了奇怪的事情:通过简单的“电子改装”,它们让水母游泳速度大增,提高到了平时的三倍。这些改装水母还登上了《科学进展》期刊的封面[1]。

给水母提速,这是要干什么?水母能乐意吗? 

工程师竟让水母强制提速,他们要干什么?

提速后(上)VS提速前(下),3倍速回放 | caltech

 如何为水母提速 

这项研究选择了海月水母(Aurelia aurita)作为改造对象。简单说,研究者们的改造就像是给水母植入了 “起搏器”,只不过它控制的不是心跳,而是水母游泳的频率

水母通过环形肌肉的收缩来控制游泳。当收到来自神经起搏点的信号时,肌肉带动整个伞体内腔收缩,将伞体内的水喷出,为水母提供向前运动的推力。而外来的电流刺激同样可以激活这一动作。

研究者为水母植入的控制器组件包括电子起搏器、锂电池和两个电,以及便于观察电流脉冲的LED灯。控制器通过一根木刺插入水母的伞体中进行固定,两个电极嵌入伞形边缘的肌肉组织中。

工程师竟让水母强制提速,他们要干什么?

因为尝试粘合剂失败,研究者用木签进行了一些简单粗暴的固定 | Nicole W. Xu and John O. Dabiri

在脉冲电流的刺激下,水母的运动频率加快,游泳速度也有了明显的提升:从秒速2厘米提高到了每秒4-6厘米,最快时速度将近是原来的3倍

 

在大幅提速的同时,“改装水母”的能量消耗并没有增加太多。耗氧量的测量数据显示,提速后的水母移动单位距离消耗的能量只上升到了原来的2倍。

 

 为啥要这样? 

水母游得好好的,为什么要让人家提速?研究者的目标是借用水母制造更高效的水下探测器。

 

此前,工程师们利用人造材料制造了很多仿生水下机器人,它们可以游出与生物相近的速度,但能耗和生物相比还是太高了。既然如此,为何不试试直接利用生物?这样一来,电子起搏器的部分只需要10毫瓦功率就够了,制作成本也只需要几美元。根据论文,这种“电子改装水母”的能效比现有的水下机械机器人高出了10-1000倍。

 

目前人类勘测到的水域只是海洋的很小的一部分,现有的基于船舶的勘测技术效率非常有限并且造价昂贵,而水母在很大范围内的深度、盐度、温度、氧浓度的海域中都能存活,具有成为“海洋勘探员”的潜质。

工程师竟让水母强制提速,他们要干什么?

期刊封面图对“改装水母”监测海洋展开了畅想 | Science Advance

 

 等等!水母没事吗? 

听起来似乎有点道理,但爱水母人士想必还是会提出反对:这么折腾水母,它们真的没事吗?

 

工程师竟让水母强制提速,他们要干什么?

海月水母:欺负我没脑子是不是?| Alexander Vasenin/Wikipedia

 

对此,论文作者倒是也进行了一番解释。首先,水母并没有大脑或疼痛感受器,安装控制器的过程看起来并不会对水母产生太大伤害,而且伤口可以在数天后愈合。其次,在实验中,他们密切观察了水母的变化,结果并没有发现应激分泌粘液的迹象。取下控制器后,水母们也能恢复到平时正常的游泳速度。

 

而下一步的问题,大概就是如何让水母按照研究者希望的方向游泳了。

 

参考文献

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

作者:ARU

编辑:窗敲雨

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