穿潜水服的蟑螂：能搜救巡管道，下一步奔外星

2025年3月28日，缅甸中部遭遇7.7级强震，导致数千人遇难。震后，新加坡民防部队的“狮心行动”搜救队伍迅速赶赴重灾区。除了我们熟知的搜救队员和搜救犬之外，这支队伍中还出现了一支特殊的“编外力量”：10只经过特殊改造的马达加斯加发声蟑螂。

这标志着人工改造昆虫首次被部署至真实的搜救任务中。这项技术源自新加坡南洋理工大学佐藤裕孝教授的团队。他们让体长约6厘米的蟑螂背负一枚微型电子背包，其中集成了红外摄像头、传感器、微型控制器和通信模块。

这支“蟑螂特遣队”肩负的任务，是深入人类和常规搜救机器人均无法触及的狭窄废墟缝隙。它们负责采集热信号、二氧化碳浓度以及微弱运动等信息，通过机器学习算法初步判断生命迹象，再将数据通过无线方式回传至地面指挥中心。

最近，该团队在《自然-通讯》期刊上发表论文，介绍了一种可穿戴的“蟑螂潜水服”。穿上这套装备后，蟑螂能在水下持续作业2到3小时。试想一下，一只被先进科技武装、近乎“上天入地无所不能”的“小强”，在同时存在瓦砾与积水的复杂灾害现场，将能发挥出何等独特而关键的作用。

（来源：Hirotaka Sato Group）

半机械蟑螂：既要存活，更要执行任务

赛博格昆虫，简而言之，是活体昆虫与微电子技术的融合体。控制这类半机械蟑螂按人类指令运动，其原理并不复杂。佐藤裕孝团队在其触角末端和腹部第三节，分别植入了镀特氟龙银线电极，用以向神经系统发送微弱电脉冲。这像是向蟑螂传递了“身体某侧受到威胁”的虚假信号，其中枢神经接收后，会本能地驱使身体向反方向移动。

研究人员采用一块10毫米见方的定制电路板作为无线刺激模块，仅需3至4伏、持续0.6秒的电压脉冲，即可有效控制蟑螂的前进与转向。其内置的锂电池一次充电可支持数小时作业。在这套系统中，人类只需发送方向指令，无需直接驱动肌肉、关节或感知系统，蟑螂在生物学意义上依然是完整的活体。

然而，挑战在于：陆生昆虫没有肺，呼吸通常依赖位于胸部的气门。空气经由气门直接进入体内的气管网络，氧气通过扩散方式抵达组织细胞。一旦气门没入水中，蟑螂会在两分钟内窒息。这严重制约了半机械昆虫执行水下任务的能力。

为解决此难题，研究团队为蟑螂量身打造了一套可穿戴的自产氧潜水服。

其核心是一个化学产氧模块。潜水服的反应舱原理，源自高中化学的经典反应：二氧化锰在中性条件下，能自发催化过氧化氢分解。这一过程无需任何电子元件或外部能源，产物仅为无害的水和氧气。

为控制反应速率，防止剧烈气泡干扰蟑螂运动，研究人员将二氧化锰粉末填充进一块亲水纤维素海绵，使反应在固-液微界面上分散进行，从而将产氧速率降至适宜水平。

团队还在反应舱顶盖嵌入一层疏水聚四氟乙烯微孔膜，仅允许气体通过，同时防止了液体渗漏和二氧化锰粉末逸出。红外热成像显示，反应过程中，舱体温度始终稳定在23.6至24.0摄氏度之间，未出现局部热积聚。团队对5只穿戴潜水服的蟑螂进行了为期3天的观察，结果全部存活，行为表现完全正常。

研究人员采用弹性树脂作为3D打印材料，制造出厚度约1毫米的包裹性防水外壳，该外壳同时兼作氧气储运舱。最初，团队尝试将产氧模块安装在蟑螂背部，但发现这改变了重心，且水下阻力过大，导致蟑螂频繁侧翻。最终方案是将产氧舱定位在腹部末端，通过锥形壳体与腹部相连。壳体前端与蟑螂第一腹节之间，采用弹性丁腈橡胶膜进行密封，这既实现了防水，也适应了个体尺寸差异及运动中的身体形变。

蟑螂的两对胸气门结构存在差异：前胸气门是可见的凹槽形气门瓣；中胸气门则仅为一个微小孔洞。为同时向两对气门输送氧气，团队设计了两种不同规格的3D打印硅胶连接器：前胸气门连接器是一个完全包裹气门瓣的匙形罩盖；中胸气门连接器则是一根内径0.3毫米、外径0.4毫米的细管，直接插入小孔内。四根硅胶导管将产氧舱与两对气门相连，构成一个密闭的供氧通路。

图 | 蟑螂潜水服的输氧系统（来源：Nature Communications）

穿上潜水服后，蟑螂体内的氧浓度峰值可达约50%，3小时后仍维持在约14.8%的水平，这远高于昆虫维持正常生理功能所需的5%氧浓度下限。

在运动灵活性方面，穿戴潜水服的蟑螂在陆地上的平均前进速度为87.5毫米/秒，水下仅微降至78.4毫米/秒。不过，其转向速度受水下阻力影响较大。若按体长比例计算，这类潜水服蟑螂在陆地和水下的运动速度，均已优于当前大多数两栖机器人。

整套潜水服重量不足6克，再加上经防水处理后仅重0.7克的电子背包，总负载仍远低于蟑螂所能承受的最大负重。

为验证这套系统在真实极端场景下的可用性，团队搭建了一条模拟灾难现场的1.7米两栖障碍隧道，前段充满高浓度二氧化碳，后段则浸水。作为对照，普通蟑螂进入二氧化碳段后，仅数秒便失去反应；另一只被引导进入水段后，45秒内即因窒息而完全静止。而穿戴潜水服的半机械蟑螂，则全部成功穿越了两个危险区域，行为正常，步态稳定。

（来源：Nature Communications）

为使蟑螂能钻入更狭窄的水下缝隙，团队还测试了一种“全内置”配置：将控制背包和电池直接植入蟑螂体内。这种配置不仅让蟑螂成功穿越了仅2厘米高的水下裂缝，还因内部质量分布更接近中轴线而降低了重心，减少了水下侧翻的概率。

上天入地，未来或将半机械蟑螂送入外星球

佐藤裕孝对半机械昆虫的研究，其实早在2008年就已启动。当时他在美国加州大学伯克利分校从事博士后研究，主导了一项对花金龟的改造工作，并首次通过植入式无线微系统，远程控制了活体甲虫的飞行状态。这项成果入选了2009年《时代》杂志的“年度50大发明”以及《麻省理工科技评论》的“十大新兴技术”。

（来源：MIT Technology Review）

受2011年日本大地震的触动，佐藤裕孝逐步将研究对象转向了马达加斯加发声蟑螂。这种蟑螂虽然不会飞行，但体格结实，5.5克的身躯可以承载近3倍于自身体重的质量，加之性格相对沉稳，使其成为地面搜救场景的理想生物载体。

佐藤裕孝与合作者陆续对蟑螂进行了一系列改造。2024年，团队开发出可无线充电的蟑螂控制背包，太阳能充电模块的加入，使得半机械蟑螂具备了长时间户外作业的潜力。

蟑螂一旦“习惯”了反复的电刺激，其响应就会逐渐减弱。2024年，团队提出了一种带有刺激调节和“打破习惯化”功能的导航算法，将持续可控运动时间从半小时延长至2小时以上，同时将刺激电压降低了25%，减少了因过度刺激导致的疲劳。

单只蟑螂能覆盖的范围毕竟有限。2025年初，团队发表了群体导航算法，引入了一种生物-人工混合的启发式反馈机制。多只半机械蟑螂可在未知复杂地形中协同行进，减少滞留，人工干预次数相比此前算法减少了约50%。

最后，还有改造效率的问题。即使是训练有素的操作员，手工组装一只半机械蟑螂也需要1小时以上。2025年7月，团队在《自然-通讯》上发表论文，介绍了全球首条半机械昆虫自动化装配线。由计算机视觉引导的机械臂，能够识别蟑螂背部的最佳植入位置，自动完成电极植入和背包安装，每只需时仅1分8秒。

既然改造一只活蟑螂如此费时费力，为什么不直接制造一台机械蟑螂机器人呢？

究其原因，昆虫是自然界长期演化的产物，其步态控制、地形适应、快速转向以及感知反馈的效率，远超同等尺寸的微型机械机器人。其次是功耗问题，半机械蟑螂只需搭载传感和低功耗信号刺激等电子元件，就能驱动生物体长时间活动，其功耗和续航能力均优于同类纯机械方案。

但这同时也带来了相应的代价。昆虫的作业范围受限于能使其存活的物理条件。近20年来，佐藤裕孝一直在尝试通过人工改造，让它们适应更多更极端的环境，并保持稳定的可用性。

半机械蟑螂的应用场景，正从搜救领域扩展到基础设施巡检。2025年初，团队启动了一个新试点：将半机械蟑螂送入城市地下管道，检查腐蚀和渗漏情况。

新加坡拥有约6000公里长的供水网络，传统管道巡检依赖人工检测或大型机器人，覆盖率有限。这套配置在原有背包基础上加装了彩色摄像头、LED照明和通信模块。蟑螂在管道底部爬行，摄像头可拍摄管壁，并通过机器学习识别缺陷。

该方案的主要优势在于尺寸：蟑螂可以钻进2厘米宽的缝隙，而大多数机械设备无法做到这一点。项目目前正在新加坡滨海高速公路沿线的模拟管道环境中进行测试，研究人员正在与相关机构商谈将其真正应用于管网的可能性。

图 | 室外水下狭窄缝隙穿越（来源：Nature Communications）

任何涉及活体动物改造的研究，都会引发伦理讨论。相比脊椎动物，学界对于昆虫是否具有主观痛苦体验尚未达成明确共识。不过，在该实验中，蟑螂的行为和存活指标均未发现异常。论文明确指出，实验蟑螂气门处的黏合剂可以清除，脱下潜水服后，它们能够正常活动。

未来，团队计划继续扩展这套半机械昆虫系统。例如，集成微型氧浓度传感器和微泵，实现按需灵活供氧等功能。此外，在验证了水下场景后，佐藤裕孝计划带领蟑螂走向更极端的环境，比如在极端温度、真空和辐射条件下测试半机械昆虫的生存与作业能力，未来甚至可能将其用于火星等缺氧的地外环境。

作为在地球上繁衍了3亿年的物种，蟑螂或许怎么也想不到，在短短十几年间，它们会被仅有约30万年物种历史的人类改造并操控，实现了某种意义上的“赛博飞升”。

参考内容：

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/