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小強變身潛水員！新加坡南洋理工大學研發「賽博昆蟲」裝備，挑戰 3 小時水下生存

作家相片: Rodrigo
Rodrigo
7月11日
讀畢需時 6 分鐘

已更新：7月12日

未來的仿生機器人應該是什麼樣子？這個議題一直是眾多科學家與科幻小說家熱衷的題材。一部分觀點認為，機器人（android）應該要具備人型才能有效融入人類生活，並提供人類更好的生活品質；另一派觀點則認為，機器人（robot）只是機器，如何提升工作效率與適配工作環境才是重點，而非拘泥於外型。只要能夠達成這兩項需求，不管是仿生結構，還是全人造結構，都可以作為機器人的設計考量。


然而，近年來一個全新的概念--賽博（cyborg ）正在衝擊著整個機器人領域，這個概念不在拘泥於如何將機械設計的更像人，或是提升機械的效率，而是著手考慮將機械與活著的生命結合，創造出能夠輔助生命體的機械單元。


兩棲賽博昆蟲系統的概念與設計。 A.水下作業的賽博昆蟲概念圖。 B .賽博蟑螂潛水衣的結構設計與氧氣生成機制。 i) 潛水衣包括一個柔性防水外殼、一個一體式氧氣產生器和氧氣輸送管。 ii) 氧氣產生器利用纖維素海綿上的MnO₂ - H₂O₂催化反應生成氧氣和水。 iii) 產生的氧氣經由氧氣輸送管輸送到前胸和中胸氣門。 C .實際運動演示。照片展示了穿著潛水服的賽博昆蟲進行以下運動：i) 向下攀爬，ii) 水下運動，以及 iii) 向上攀爬。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）
兩棲賽博昆蟲系統的概念與設計。 A.水下作業的賽博昆蟲概念圖。 B .賽博蟑螂潛水衣的結構設計與氧氣生成機制。 i) 潛水衣包括一個柔性防水外殼、一個一體式氧氣產生器和氧氣輸送管。 ii) 氧氣產生器利用纖維素海綿上的MnO₂ - H₂O₂催化反應生成氧氣和水。 iii) 產生的氧氣經由氧氣輸送管輸送到前胸和中胸氣門。 C .實際運動演示。照片展示了穿著潛水服的賽博昆蟲進行以下運動：i) 向下攀爬，ii) 水下運動，以及 iii) 向上攀爬。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）

就在2026年，一群來自新加坡南洋理工大學與日本早稻田大學的科研人員，首次將活生生的昆蟲與機械單元做結合。他們選擇了生存能力極強的馬達加斯加蟑螂（Gromphadorhina portentosa）作為生物平台，並為其量身打造了一套「穿戴式潛水裝」，試圖將原本只能在陸地活動的馬達加斯加蟑螂，轉化為具備長時間水下作業能力的兩棲賽博機器人。


與人類的潛水裝備不同，研究團隊為蟑螂們打造了一套截然不同的裝備。首先，他們設計了一副由堅固的科技外骨骼，這幅套裝主要由柔性樹脂（flexible resin）製成，這種設計能適應昆蟲腹部的自然形態，並在運動時隨身體變形，減少對昆蟲自然動作的干擾。除此之外，研究人員也在在防水殼與昆蟲身體接合的前端，使用了厚度 0.16 mm 的軟質丁腈橡膠膜（nitrile rubber membrane）。這層膜充當了彈性密封墊，能填補外殼與昆蟲外骨骼之間的縫隙，防止水分滲入。


潛水衣系統的結構和氧氣輸送機制。 A.潛水衣整合了：i) 氧氣產生器，ii) 柔性防水外殼，以及 iii) 氧氣輸送管。產生的氧氣經由氣門連接器經由管道輸送到胸腔氣門，形成密封的呼吸通道。 B .氧氣發生器設計。 i) 氧氣產生器分解圖。它包括：一個內部裝有沉積有二氧化錳的纖維素海綿的容器、密封蓋和一個疏水性聚四氟乙烯（PTFE）微孔膜。 ii) 疏水性聚四氟乙烯（PTFE）微孔膜的工作原理，它允許氣體通過，同時阻止液體滲透。 C .胸腔氣門的光學顯微鏡影像。左側是前胸氣門，它保持開放狀態，呈現唇狀結構。右側是中胸氣門，它保持關閉狀態，僅留一個小孔。 D .帶有氧氣輸送管的客製化氣門連接器。E將氧氣輸送管與氣門連接器安裝到 i–ii) 前胸氣門，iii–iv) 中胸氣門。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）
潛水衣系統的結構和氧氣輸送機制。 A.潛水衣整合了：i) 氧氣產生器，ii) 柔性防水外殼，以及 iii) 氧氣輸送管。產生的氧氣經由氣門連接器經由管道輸送到胸腔氣門，形成密封的呼吸通道。 B .氧氣發生器設計。 i) 氧氣產生器分解圖。它包括：一個內部裝有沉積有二氧化錳的纖維素海綿的容器、密封蓋和一個疏水性聚四氟乙烯（PTFE）微孔膜。 ii) 疏水性聚四氟乙烯（PTFE）微孔膜的工作原理，它允許氣體通過，同時阻止液體滲透。 C .胸腔氣門的光學顯微鏡影像。左側是前胸氣門，它保持開放狀態，呈現唇狀結構。右側是中胸氣門，它保持關閉狀態，僅留一個小孔。 D .帶有氧氣輸送管的客製化氣門連接器。E將氧氣輸送管與氣門連接器安裝到 i–ii) 前胸氣門，iii–iv) 中胸氣門。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）

與此同時，為了能夠同時達成不造成蟑螂負擔與提供蟑螂氧氣的條件，研究團隊設計了一套一次性氧氣模組提供蟑螂使用，這套模組的巧妙之處在於捨棄人類使用的氧氣鋼瓶，轉而利用二氧化錳（MnO2）催化過氧化氫（H2O2）產生氧氣的化學反應，並將其巧妙地整合在纖維素海綿中，以確保製氧過程穩定且不會劇烈晃動。另外，為了確保蟑螂們能夠有效吸收到足夠氧氣，研究人員還設計了專門的氧氣輸送管與接頭，這套系統能直接將純氧送入蟑螂胸部的氣門，同時利用柔性防水殼隔絕外界水源，讓原本落水不到兩分鐘就會溺斃的昆蟲，能在水下持續活動超過 3 小時。


氧氣生成性能評估。 A.氧氣生成量（平均值±標準差，n  =3）。 B .用於測量防護衣內氧氣濃度和蟑螂活動的裝置。將仿生蟑螂固定在支撐系統上，使其位於球形容器的中心。 C.有無氧氣生成系統的防護服內的氧氣濃度示意。實線表示平均氧氣濃度，陰影區域表示標準差。 D .蟑螂的運動能力。粗線表示平均值，垂直線表示標準差。水平虛線表示0.5公分/秒的行走速度。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）
氧氣生成性能評估。 A.氧氣生成量（平均值±標準差，n  =3）。 B .用於測量防護衣內氧氣濃度和蟑螂活動的裝置。將仿生蟑螂固定在支撐系統上，使其位於球形容器的中心。 C.有無氧氣生成系統的防護服內的氧氣濃度示意。實線表示平均氧氣濃度，陰影區域表示標準差。 D .蟑螂的運動能力。粗線表示平均值，垂直線表示標準差。水平虛線表示0.5公分/秒的行走速度。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）

相較於純粹的人造微型機器人，這種賽博昆蟲展現出了壓倒性的優勢。傳統機器人需要消耗大量電力來驅動馬達，電力往往在短時間內就告罄。而賽博昆蟲則是利用生物自身的肌肉運動，機械單元僅需極低功耗即可誘導其轉向或前進。實驗數據顯示，穿上潛水裝後的蟑螂在水下的行進速度可達每秒一個身長（1.0 BL/s），這表現甚至優於大多數同比例的兩棲機器人。


機械蟑螂在兩棲環境的運動表現。 A.背包的頂部和底部。 MCU：微控制器單元，DAC：數位類比轉換器，St：刺激通道，Bt：電池端子。 B .陸地速度（平均值±標準差，n  = 40（前進速度），n  = 25（角速度），N   = 3）。 C .兩棲賽博昆蟲與其他兩棲機器人的運動表現比較。 BL/s 為體長/秒。數字對應於參考文獻部分引用的文獻。 i) 陸地速度比較。 ii) 水下速度比較。 D .浸入水中後多個時間點的水下速度（平均值±標準差，n  = 6，N  = 3）。 E .水下運動表現的長期趨勢（平均值）。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）
機械蟑螂在兩棲環境的運動表現。 A.背包的頂部和底部。 MCU：微控制器單元，DAC：數位類比轉換器，St：刺激通道，Bt：電池端子。 B .陸地速度（平均值±標準差，n  = 40（前進速度），n  = 25（角速度），N   = 3）。 C .兩棲賽博昆蟲與其他兩棲機器人的運動表現比較。 BL/s 為體長/秒。數字對應於參考文獻部分引用的文獻。 i) 陸地速度比較。 ii) 水下速度比較。 D .浸入水中後多個時間點的水下速度（平均值±標準差，n  = 6，N  = 3）。 E .水下運動表現的長期趨勢（平均值）。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）

為了驗證其實戰能力，研究團隊設計了一個長達 1.7 公尺的「複合式危險隧道」，內部充滿了具麻醉性的二氧化碳氣體以及深水區。普通的昆蟲在進入 CO2 區域後會迅速癱瘓並在隨後的水區溺斃，但裝備了潛水裝的賽博昆蟲卻能如履平地般通過這道關卡。針對極其狹窄的環境，研究人員甚至開發了「全植入式裝置」，將控制背包與電池植入昆蟲體內，使其能順利鑽進高度僅 2 公分 的水下裂縫。

在模擬危險環境中，穿著潛水衣和不穿潛水衣的機械蟑螂的運動表現比較。 A. 隧道裝置示意圖，長1.7米，橫斷面尺寸為5公分×5公分。隧道包含兩個區域：二氧化碳區和水區。 B .未穿戴防護衣的機械蟑螂在二氧化碳區的運動軌跡。蟑螂在接觸二氧化碳後被麻醉（我們將其轉移到新鮮空氣中使其恢復）。 C .機械蟑螂在水區的運動軌跡。蟑螂入水45秒後窒息（我們將其擦乾並轉移到新鮮空氣中使其恢復）。 D .機械蟑螂在包含二氧化碳區和水區的隧道（實驗1）中的運動軌跡。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）
在模擬危險環境中，穿著潛水衣和不穿潛水衣的機械蟑螂的運動表現比較。 A. 隧道裝置示意圖，長1.7米，橫斷面尺寸為5公分×5公分。隧道包含兩個區域：二氧化碳區和水區。 B .未穿戴防護衣的機械蟑螂在二氧化碳區的運動軌跡。蟑螂在接觸二氧化碳後被麻醉（我們將其轉移到新鮮空氣中使其恢復）。 C .機械蟑螂在水區的運動軌跡。蟑螂入水45秒後窒息（我們將其擦乾並轉移到新鮮空氣中使其恢復）。 D .機械蟑螂在包含二氧化碳區和水區的隧道（實驗1）中的運動軌跡。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）

這項研究不僅僅是讓蟑螂學會潛水這麼簡單，更預示了未來仿生機器人的一個重要分支，工程保護力與生物適應力的深度共生。未來，這些賽博小士兵們可能還會裝上微型感測器，根據昆蟲的代謝狀態自動調節製氧量，成為災難現場最靈活、最持久的微型搜救員。當我們還在爭論機器人是否該具備人型時，這群賽博昆蟲已經穿上潛水裝，在人類與機械都難以企及的深邃縫隙中，定義了仿生科技的下一個時代。


室外水下狹窄縫隙穿越測試。 Ａ.穿著潛水衣的賽博昆蟲。背包和電池透過手術植入蟑螂體內。 X光影像的俯視圖和側視圖展示如何植入這些組件。整合了氧氣發生器和氧氣輸送管的潛水衣，可在水下維持呼吸和防護。 B.為高度為2公分的縫隙示意圖。 C.展示了一隻賽博昆蟲（穿著潛水衣）在狹窄縫隙中穿行的運動過程。賽博昆蟲從右側進入，從左側離開。縫隙總長度約為10公分。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）
室外水下狹窄縫隙穿越測試。 Ａ.穿著潛水衣的賽博昆蟲。背包和電池透過手術植入蟑螂體內。 X光影像的俯視圖和側視圖展示如何植入這些組件。整合了氧氣發生器和氧氣輸送管的潛水衣，可在水下維持呼吸和防護。 B.為高度為2公分的縫隙示意圖。 C.展示了一隻賽博昆蟲（穿著潛水衣）在狹窄縫隙中穿行的運動過程。賽博昆蟲從右側進入，從左側離開。縫隙總長度約為10公分。（圖片來源：Zifu Fan , Kazuki Kai , Kewei Song , Duc Long Le , Thu Ha Tran , Mingyu Hao , Wei Yang Wan , Shinjiro Umezu , Hirotaka Sato，採用 CC BY 4.0 授權。）

作者：Rodrigo


參考文獻：Fan, Z., Kai, K., Song, K., Le, D. L., Tran, T. H., Hao, M., Wan, W. Y., Umezu, S., & Sato, H. (2026). Underwater suit-wearing cyborg insect capable of hours-long diving and terra-aqua travel. Nature Communications.

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