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，緬甸中部發生 7.7 級地震，造成數千人遇難。震后，新加坡民防部隊（SCDF）派出“獅心行動”救援隊抵達重災區。隊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 只經過特殊改造的馬達加斯加發聲蟑螂。

這是人工改造昆蟲首次被部署至真實任務場景。技術來自新加坡南洋理工大學（NTU）佐藤裕孝（Hirotaka Sato）教授團隊，他們讓體長約 6 厘米的蟑螂馱著一枚微型電子背包，內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”將進入人類和常規救援機器人都無法觸及的狹窄廢墟縫隙，采集熱信號、二氧化碳濃度和微弱運動等信息，由機器學習算法初步判別生命跡象，再將數據無線回傳至地面。

最近，團隊在《自然-通訊》（Nature Communications）發文，介紹了一種可穿戴“潛水服”，蟑螂穿上它可在水下持續作業 2~3 小時。一只被先進裝備加持、上天入地無所不能的“小強”，有望在瓦礫與積水并存的混合災難現場中發揮獨特作用。

（來源：Hirotaka Sato Group）

賽博格蟑螂得活著，還得干活

賽博格昆蟲（cyborg insect）是指結合了活體昆蟲與微電子技術的混合機器人系統。要控制賽博格蟑螂按人類意愿運動，原理并不復雜。佐藤裕孝團隊在其觸角末端和腹部第三節分別植入鍍特氟龍銀線電極，以此向神經系統發送微弱電脈沖，傳遞“身體某側受到威脅”的假信號，蟑螂的中樞神經接收信號后，就會本能地向反方向移動。

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 0.6 秒的電壓脈沖就足以控制蟑螂前進和轉向，內置的鋰電池充一次電能用數小時。這套系統中，人類只用發送方向指令，無需直接驅動肌肉、關節和感知系統，蟑螂在生物學上仍是完整活體。

陸生昆蟲沒有肺，呼吸通常由位于胸部的氣門（spiracle）完成，空氣從氣門直接進入體內的氣管網絡，氧氣以擴散方式抵達組織細胞。一旦氣門浸沒水中，蟑螂在兩分鐘內就會窒息，這嚴重限制了賽博格昆蟲參與水下任務。

為解決這一問題，研究團隊為蟑螂設計了一套可穿戴的自產氧潛水服。

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

為控制反應速率，避免產生劇烈氣泡、干擾蟑螂運動，研究人員把二氧化錳粉末塞進一塊親水纖維素海綿，反應被限制在固-液微界面上分散進行，進而使將產氧速率降至適宜水平。

團隊還在反應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，反應過程中，艙體溫度始終穩定在 23.6~24.0℃之間，未產生局部熱積聚。團隊還對 5 只穿戴潛水服的蟑螂進行了 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，兼作氧氣儲運艙。團隊最初嘗試把產氧模塊裝在背部，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之間用彈性丁腈橡膠膜密封，既能防水，也能容納個體尺寸差異和運動中的身體形變。

蟑螂的兩對胸氣門結構并不相同：前胸氣門可見凹槽形的氣門瓣；中胸氣門只有一個小孔。為同時給兩對氣門輸氧，團隊設計了兩種不同規格的 3D 打印硅膠連接器：前胸氣門連接器是一個完全包住氣門瓣的匙形罩蓋；中胸氣門連接器則是一根內徑 0.3 毫米、外徑 0.4 毫米的細管，直接插入小孔。四根硅膠導管連通產氧艙與兩對氣門，形成密閉的輸氧通路。

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

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

運動靈活性方面，穿戴潛水服的蟑螂在陸地的平均前進速度為 87.5 毫米/秒，水下僅微降至 78.4 毫米/秒，不過轉向速度受水下阻力影響較大。若按體長計算，這類潛水服蟑螂的陸地和水下運動速度均優于當前多數兩棲機器人。

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，整套負載仍遠低于其可承受的最大負載。

為驗證這套系統在真實極端場景中的可用性，團隊搭建了一條模擬災難現場的 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，普通蟑螂進入二氧化碳段僅數秒后便失去響應；另一只被引導進入水段后，45 秒內就因窒息完全停止運動。而穿戴潛水服的賽博格蟑螂全員成功穿越兩個危險區，且行為正常，步態穩定。

（來源：Nature Communications）

為了讓蟑螂鉆進更狹窄的水下縫隙，團隊還測試了一種“全內置”配置：將控制背包和電池植入蟑螂體內。這一配置不僅讓蟑螂成功穿越僅 2 厘米高的水下裂縫，還因內部質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外星

佐藤裕孝對賽博格昆蟲的研究始于 2008 年。彼時他在美國加州大學伯克利分校擔任博后，主導了一項對花金龜的改造，并首次通過植入式無線微系統，遠程控制活體甲蟲的飛行狀態。該成果入選 2009 年《時代》（Time）雜志的“年度 50 大發明”和《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）的“十大新興技術”。

（來源：MIT Technology Review）

受到 2011 年日本大地震的觸動，佐藤裕孝將研究對象逐步轉向馬達加斯加發聲蟑螂。這種昆蟲雖不會飛，但體格結實、5.5 克的身軀可承載近 3 倍于體重的質量，加上性格相對沉穩，成為地面搜救場景的理想載體。

佐藤裕孝與合作者陸續對蟑螂進行了一系列改造。2022 年，團隊開發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間戶外作業的可能。

蟑螂一旦“習慣”了反復的電刺激，響應就會逐漸減弱。2024 年，團隊提出帶有刺激調節和“打破習慣化”功能的導航算法，把持續可控運動時間從半小時延長至 2 小時以上，同時將刺激電壓降低 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，團隊發表群體導航算法，引入生物-人工混合的啟發式反饋機制，多只賽博格蟑螂可在未知復雜地形中協同行進、減少滯留，人工干預次數比此前算法減少約 50%。

最后還有改造效率問題，即使是訓練有素的操作員，人工組裝一只賽博格蟑螂也需要 1 小時以上。2025 年 7 月，團隊在《自然-通訊》發表了全球首條賽博格昆蟲自動化裝配線：計算機視覺引導的機械臂識別蟑螂背部的最佳植入位置，自動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這么大力氣，為何不直接造一臺機械蟑螂機器人？

原因在于，昆蟲是自然界長期演化的產物，其步態控制、地形適應、快速轉向和感知反饋的效率遠超同尺寸機械微型機器人。其次是功耗問題，賽博格昆蟲僅需搭載傳感和低功耗信號刺激等電子元件，即可驅動生物體長時間活動，功耗和續航優于同類純機械方案。

但這也帶來了相應代價，昆蟲的作業范圍受限于可使其存活的物理條件。近 20 年來，佐藤裕孝一直試圖借助人工改造，讓它們適應更多更極端的環境，同時保持穩定可用性。

賽博格蟑螂的落地場景正從搜救擴展到基礎設施巡檢。2025 年初，團隊啟動了一個新試點：把賽博格蟑螂送進城市地下管道，檢查腐蝕和滲漏。

新加坡擁有約 6,000 公里長的供水網絡，傳統管道巡檢依賴人工檢測或大型機器人，覆蓋率有限。這套配置在原有背包基礎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器學習識別缺陷。

該方案的優勢主要在于尺寸：蟑螂可以鉆進 2 厘米寬的縫隙，但大部分機械設備做不到這一點。項目正在新加坡濱海高速公路（MCE）沿線的模擬管道環境中測試，研究人員正與相關機構商談真正進入管網的可能。

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

任何涉及活體動物改造的研究都會引起倫理討論。相比脊椎動物，學界對昆蟲是否具有主觀痛苦體驗尚未達成明確共識。不過，該實驗中蟑螂的行為和存活指標未見異常。論文明確指出，實驗蟑螂氣門處的黏合劑可清除，褪去潛水服后可正常活動。

未來，團隊計劃繼續擴展這套賽博格昆蟲系統。例如集成微型氧濃度傳感器和微泵，實現按需靈活供氧等。此外，驗證水下場景后，佐藤裕孝計劃帶蟑螂走入更極端的環境，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能力，未來甚至可能將其用于火星等缺氧的地外環境。

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，實現“賽博飛升”。

參考內容：

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/

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成