儘管科學界竭盡全力探索海洋，但其深處的絕大部分仍然未被看見。海洋總共加起來超過13億立方千米——足以填滿一個地球十分之一寬的球體——而像深海潛艇和游泳無人機這樣的昂貴工具，必須大量投入使用，才能覆蓋哪怕是其中一小部分水域。但是像月亮水母這樣的生物已經遍佈海洋，現在加州理工學院和斯坦福大學的研究人員正試圖將這些脆弱的生物變成可控制的半機械生物。
科學家們用現成的零件製造了一種微電子“假體”或“游泳控制器”。他們用一根短木銷將其固定在碟子大小的月亮水母的腹面，然後將兩個電極從裝置連線到該生物的鐘狀體的兩側。啟用後，該假體會以有規律的電子脈衝刺激水母的肌肉。為了儘量減少對動物的影響，研究人員將電子元件裝在一個兩釐米寬的圓柱形外殼內，並添加了軟木浮子和不鏽鋼配重，以保持系統處於中性浮力。科學家們在水箱中對六隻月亮水母進行了該裝置的測試，發現它可以使這些動物以接近其自然速度三倍的速度游泳。在佩戴未啟用的游泳控制器時，它們保持了典型的速度。該研究結果於週三在《科學進展》雜誌上發表。
儘管該裝置僅影響了水母的速度，但研究人員計劃在後續版本中新增轉向和感應能力。“經過一些相對簡單的修改，我們認為有可能實現轉向——因此可以告訴你的動物，‘在這裡左轉，在那裡轉 30 度，在另一個位置掉頭，’”該研究的合著者、加州理工學院的機械工程師約翰·達比裡說。一旦他們進行了修改，達比裡和他的合著者、斯坦福大學的生物工程博士生妮可·W·徐就可以在該裝置上新增感測器。“最終，”達比裡說，“我們的想法是，當[水母]在路徑上時，它們會記錄海洋的溫度、鹽度、pH值——所有我們在試圖量化當前和未來海洋健康和氣候變化時所關心的變數。” 他補充說，研究人員可能有一天能夠使用這種半機械生物來繪製一個區域的地圖，例如，收集資料直到它們的游泳控制器使它們返回水面。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保關於塑造當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
“關於海洋的資料在很多應用中都非常有用，”美國國家海洋和大氣管理局海洋漁業局的生態學家埃利奧特·哈岑說，他沒有參與這項新的研究。“瞭解海洋中的模式可以幫助我們提高預測天氣的能力。與此同時，我們一直在使用海洋測量來幫助指導海洋活動——這可能包括告訴漁民他們更有可能遇到受關注的物種的位置，以便他們可以減少兼捕。”
研究人員為一些月亮水母安裝了假體“游泳控制器”。圖片來源：妮可·徐和約翰·達比裡加州理工學院
將動物變成活體感測器顯然會引發道德問題。然而，達比裡指出，月亮水母沒有大腦、中樞神經系統，也沒有哺乳動物那樣的痛覺感受器，例如，它們會對木銷穿透其身體組織產生反應。已知該物種在受到壓力時會產生粘液，但研究人員表示他們對受試者進行了監測，並未發現這種反應的跡象。他們還表示，水母在幾天內就痊癒了，並在實驗結束後和假體移除後恢復了正常功能。達比裡認為，如果將半機械水母部署為海洋監測器，它們可以過上相對正常的生活。“我們可能對這樣一種情景感興趣，即該裝置被嵌入數年，收集資料，”他說。在那之後，“它可能會從動物身上脫落並返回水面，然後可以在那裡讀取資料。”
作為活體感測器，仿生水母比海洋機器人具有幾個優勢。首先，它們可以存活多年，透過進食來為自己提供能量。假體本身需要電池，但由於它的任務只是刺激電極而不是為電機供電，因此未來的版本可能會很小——研究人員聲稱，實驗中一種“增強型”水母的能量效率是現有游泳機器人的 10 到 1,000 倍。以更快的速度移動確實迫使水母消耗了平時兩倍的能量，但這個數字實際上低於研究人員的預期：他們最初認為將速度提高三倍可能需要九倍的能量。“它們在更快的速度下更有效率。它們確實消耗更多的能量——但不如你預期的效能增加那麼多，”達比裡說。“據我們所知，它們是世界上能量效率最高的游泳動物。” 他解釋說，當水母彎曲它們軟綿綿的身體時，它們會以一種無需消耗大量額外能量就能提高其前進運動的方式改變周圍的水壓。
電子游泳控制器使經過改造的水母比其正常速度快了近三倍。圖片來源：妮可·徐和約翰·達比裡加州理工學院
另一個優點是，月亮水母已經生活在地球的海洋中，處於各種溫度和深度。電子假體在深水區會很脆弱，但達比裡表示，加強那個小部件比製造一個帶有運動部件的防深水機器要容易。
哈岑說：“隨著氣候變化等因素的影響，我們看到新的海洋狀態和新的生態系統對我們環境變化的反應。“我們正在進入一個領域，我們需要越來越依賴動物來告訴我們海洋中重要的地方在哪裡。因此，我們越能為物種（尤其是像水母這樣沒有受到威脅的物種）配備裝備以瞭解我們的海洋環境，我們就越能為未來的變化和相應的威脅做好準備。”
達比裡說：“這裡的想法是用大量非常低成本的仿生——如果你願意這麼稱呼的話——水母部署來取代過去幾十年真正主導海洋科學的少量非常昂貴的平臺。”