《科学》：被动智能：科学家在自然界启发下掀起微型机器人革命

健康生活 2025年08月25日 21:40 1 admin

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250824031532.htm#google_vignette

在极端环境中生存的微小生物正在重新定义机器人技术的未来。最新发表于《科学》杂志的研究揭示，一种名为Rhagovelia的水黾通过其独特的扇形腿部结构，实现了无需肌肉主动控制的超高效水面运动。这一发现不仅颠覆了生物学界对昆虫推进机制的传统认知，更催生了一种革命性的微型机器人设计理念——通过模仿自然界的"被动智能"，实现前所未有的能效比和机动性能。

由加州大学伯克利分校、佐治亚理工学院和韩国亚洲大学组成的国际研究团队开发的Rhagobot，代表了仿生机器人技术的重大突破。这种重量仅一毫克的微型机器人搭载自变形扇形推进器，能够在复杂水面环境中展现出与生物原型相媲美的敏捷性和耐力，为未来的环境监测、搜救作业和科学探索开辟了全新可能。

意外发现的科学价值

这项跨越五年的研究始于一个偶然的观察。加州大学伯克利分校综合生物学家维克多·奥尔特加-希门尼斯在疫情期间研究水生昆虫时，被Rhagovelia水黾的异常行为深深吸引。与常见的大型水黾不同，这种米粒大小的昆虫能够在湍急水流中以每秒120个身体长度的速度移动，并在50毫秒内完成急转弯，其机动性能可与飞行昆虫相媲美。

Rhagovelia 水黾展示着自己的扇子。图片来源：Victor Ortega-Jimenez/加州大学伯克利分校

"这些微小的昆虫在湍急的水流表面快速掠过和旋转，看起来就像飞行昆虫一样，"奥尔特加-希门尼斯回忆道。这一观察引发了他的深度思考：在如此恶劣的环境条件下，这种微小生物是如何实现如此卓越的运动能力的？

传统理论认为，昆虫的所有运动都需要肌肉的主动参与。然而，当研究团队深入分析Rhagovelia的扇形腿部结构时，却发现了一个令人震惊的现象。通过高速摄影技术，他们观察到这些扇形结构在接触水面时会自动展开，离开水面时则会自动收缩，整个过程完全不依赖肌肉控制。

奥尔特加-希门尼斯描述道："首次观察到孤立的扇形结构在接触水滴后几乎立即被动膨胀，这完全出乎意料。"进一步的研究表明，这种被动变形机制完全依赖于表面张力和材料弹性的巧妙配合，实现了推进时的刚性和恢复时的柔性的完美统一。

这一发现的重要性远远超出了生物学范畴。它揭示了自然界在长期进化过程中形成的一种高效能量利用策略——通过巧妙的结构设计，将环境力转化为有用的机械功能，从而在不消耗额外能量的情况下获得卓越的性能提升。

工程挑战与技术突破

将生物学发现转化为实用技术面临着巨大挑战。韩国亚洲大学的研究团队在机器人设计过程中经历了多次失败和重新设计。最初，他们按照传统思路设计了圆柱形的扇形结构，但始终无法实现生物原型的双重功能特性。

"风扇的双重功能——产生推力所需的刚性和可折叠的柔性——无法通过圆柱形结构实现，"该研究的主要作者金东进博士解释道。突破来自对生物结构的深度分析。利用扫描电子显微镜，研究团队发现Rhagovelia的扇形结构实际上具有扁平带状的微观形态，这一此前从未被报道的结构特征成为了技术突破的关键。

基于这一发现，研究团队成功设计出了具有类似结构特征的人工扇形系统。这种扁平带状结构能够在表面张力的作用下自动展开，形成有效的推进面；在离开水面时，结构的弹性恢复力又使其自动收缩，减少阻力。整个过程完全被动，无需任何外部控制系统。

高济成教授强调了这一设计的独特价值："我们的机器人扇形结构仅利用水面力和灵活的几何形状就能自我变形——就像它们的生物对应物一样。这是一种机械嵌入式智能，经过数百万年的自然进化而精炼而成。"

最终开发出的Rhagobot重量仅一毫克，但其性能表现令人印象深刻。实验验证显示，这种微型机器人在推力、制动性能和机动性方面都实现了显著提升，同时保持了极低的能耗水平。

应用前景与产业影响

Rhagobot技术的成功展示了仿生设计在解决现实工程问题中的巨大潜力。在当前微型机器人技术发展面临能耗和控制复杂性双重挑战的背景下，这种被动智能设计理念提供了一条全新的技术路径。

在环境监测领域，传统的水质监测设备往往体积庞大、部署困难，难以实现对复杂水域的全面覆盖。基于Rhagobot技术的微型机器人可以大规模部署，构建高密度的分布式监测网络。由于其卓越的机动性和耐力，这些机器人能够在湍急的河流、狭窄的水道和复杂的湿地环境中长期稳定工作，实时收集水质、温度、pH值等关键环境参数。

在灾害救援方面，Rhagobot的小尺寸和高机动性使其能够进入传统救援设备无法到达的危险区域。特别是在洪灾现场，这些机器人可以快速搜索被困人员，评估现场情况，并传递关键信息给救援指挥中心。其被动推进机制保证了在恶劣环境条件下的可靠性和持久性。

从科学研究角度看，这些微型机器人为生态学家提供了前所未有的研究工具。它们可以在不干扰自然环境的前提下，近距离观察水生生物的行为模式，研究生态系统的动态变化，收集珍贵的第一手科学数据。

佐治亚理工学院的萨德·巴姆拉博士指出了这项研究的更深层意义："现代科学的核心是充满好奇心的科学家组成的跨学科团队，他们跨越国界和学科，共同研究自然，设计出新的仿生机器。"这种国际合作模式不仅推动了基础科学的发展，也为技术创新提供了重要支撑。

随着制造技术的不断进步和成本的持续降低，基于被动智能设计的微型机器人有望实现大规模产业化应用。这不仅将推动机器人产业的技术革新，也将为传感器技术、新材料开发和人工智能算法优化等相关领域带来新的发展机遇。

更重要的是，Rhagobot的成功展示了仿生学在推动技术创新中的独特价值。通过深入理解自然界在长期进化过程中形成的精妙机制，科学家们能够发现传统工程方法难以达到的优化解决方案。这种从自然中学习、向自然取经的研究理念，正在成为推动未来科技发展的重要驱动力。

随着对Rhagovelia运动机制理解的不断深入，研究团队已经开始探索将这一原理推广到其他应用场景的可能性。未来，我们有理由期待看到更多基于被动智能设计的创新产品，它们将以更高的效率、更低的成本为人类社会带来更大价值。

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