打不死的“小强”变身“半机械蟑螂”?

作者: 学术头条

来源: npj Flexible Electronics

发布日期: 2022-09-06 18:05:50

日本理化学研究所的研究团队设计了一种可以制造遥控半机械蟑螂的系统,该系统配备了一个可由太阳能充电的微型无线控制模块,可实现自供电,并使半机械蟑螂自由移动。这一研究或将使半机械昆虫应用在现实生活中成为可能。

蟑螂,也就是人们常说的“小强”,是一种人人都恨得咬牙、欲除之后快的奇特生物。蟑螂有着极强的生命力和繁殖力,已经有数亿年的演化历史,在人类无数“拖孩”的打击下,依然能够顽强地生存下来。

按照现代的生物分类学,地球上约有4000多种蟑螂,其中仅有数十种会入侵人类家居,有数种会被人类当作宠物饲养,绝大部分品种只能出现在野外山涧树林或昆虫博物馆。在最常见的家栖蟑螂中,美洲蟑螂、澳洲蟑螂及短翅的斑蠊体型较大,体长约为2-4厘米;德国小蠊、日本姬蠊及亚洲姬蠊体型则较小,体长约为1-2厘米。

一直以来,远程控制与长时间续航的需求一直是尚未解决的问题。如今,这一想法或许即将成为现实。日本理化学研究所(RIKEN)开创性研究集群(Cluster for pioneer Research,CPR)的研究团队及其合作者,就设计了一种可以制造遥控半机械蟑螂的系统。该系统配备了一个可由太阳能充电的微型无线控制模块,可实现自供电,而且超薄的电子设备和柔性材料可以使半机械蟑螂自由移动。

研究团队认为,半机械蟑螂的问世,或将使半机械昆虫应用在现实生活中成为可能。相关研究以“Integration of body-mounted ultrasoft organic solar cell on cyborg insects with intact mobility”为题,已发表在科学期刊npj Flexible Electronics上。

一直以来,半机械昆虫被认为可以用于监测危险地区或周边环境,但要让这一想法成为现实,就需要半机械昆虫能够被远程控制很长时间。为了将这些设备集成到蟑螂的有限表面积内,研究团队需要开发一种特殊的“背包”,一个超薄有机太阳能电池组件,以及一个保障半机械蟑螂自由运动的粘附系统。

在此次工作中,研究团队将长约6厘米的马达加斯加蟑螂作为实验对象,并利用一个特别设计的蟑螂模型背包,将无线腿控制组件和锂聚合物电池连接到昆虫胸部的顶部。这个背包是用一种弹性聚合物3D打印出来的,完全符合蟑螂的“身型”,可以在蟑螂胸部固定一个多月。

超薄的有机太阳能电池组件仅有0.004毫米厚,被安装在蟑螂的腹部背侧,其输出功率为17.2毫瓦,比目前最先进的昆虫能量收集设备的输出功率大50倍以上。超薄、柔性的有机太阳能电池,以及它的附着方式,就可以确保半机械蟑螂长时间自由行动。

在仔细检查了蟑螂的自然运动后,研究团队发现,蟑螂的腹部会改变形状,部分外骨骼会交叠。为了适应这种情况,他们使用了有粘性和无粘性的材料,使得太阳能电池既可以弯曲,又可以保持附着。当测试更厚的太阳能电池薄膜时,或者当薄膜均匀地贴在蟑螂腹部上时,蟑螂跑同样的距离需要两倍的时间,而且很难翻身,这就有可能导致它们在搜索和救援任务中失败。

在论文的最后,研究团队也表示,“由于腹部变形不是蟑螂独有的,我们的策略可以适应甲虫等其他昆虫,甚至未来可能会用在像蝉这样的飞行昆虫上。”

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