小强也能当“急救员”了！近距离打针成功率约95%，还能俩一组配合干活

“蟑螂背上注射器进废墟救人，还能两个一组配合干活。

来自澳大利亚昆士兰大学和新南威尔士大学的研究团队,近日在《Advanced Science》上发表了一项有意思的成果:他们给活的蟑螂装上了自动注射装置和摄像头,让它变身成能钻进废墟、给被困伤者打针送药的"半机械急救昆虫"(Paraborg)。

过去二十年,昆虫机器人(cyborg insects)一直被寄望于地震等灾害后的城市搜救。它们功耗低、身体皮实、还自带传感器,能钻进机器人进不去的狭小缝隙。但一个绕不开的问题是:找到幸存者之后呢?现有研究基本都停留在"搜"和"探"的阶段,真正的"救"始终没跟上。

这次的Paraborg,就是想把昆虫机器人从"搜索"推向"在地救援"。

01.

一只蟑螂,能背起一套注射系统

研究选用的是巨型穴居蟑螂(Macropanesthia rhinoceros),体长约84–87毫米,体重34–40克,寿命最长可达10年。之所以选它,是因为个头够大,能扛得动厘米级的硬件。

已有研究表明,蟑螂在不影响正常行动的前提下,大约能负重自身体重的1–2倍。团队据此定了个硬指标:所有集成部件总重要控制在约50克以内(约1.5倍体重)。最终这套即用型装置(注射模块、树脂支架、电路板等)只让蟑螂增高约15毫米、增重约17克,实验证明对它的行动能力没有明显影响。

核心的自动注射装置(AIM)设计得比较巧妙。它靠一根压缩弹簧把注射器"发射"出去,弹簧释放则靠一根镍铬合金丝通电发热、烧断固定用的鱼线来触发。注射器脱离发射管后,内部隔膜被拉破,原本分开存放的柠檬酸和碳酸氢钾混合反应,生成二氧化碳、产生压力,推动橡胶塞把药液注入目标。

实测显示,这个化学反应约4.5秒达到峰值压力约470千帕,发射力稳定在约5.6–6牛。在离体测试中,射向猪皮的注射成功率达到90%,穿刺深度约5.5毫米;射向硅胶靶则为74%。触发只需电路板发出一个约3.5秒的电信号即可完成。整套装置只有10个零件,其中8个是五金店就能买到的常见物件,成本很低。

不过目前测得的6–10牛穿刺力,明显高于人体皮肤小号针头通常所需的插入力,所以这些在硅胶上的数据还不能直接等同于对人体安全有效。

02.

怎么"开"这只蟑螂

Paraborg本质上是被人遥控的。团队通过给触角和尾须(cerci)施加电刺激来操控它:刺激左触角,蟑螂右转;刺激右触角则左转;刺激双侧尾须,则加速前进。

在10–50赫兹范围内,单侧触角刺激能带来稳定递增的转向角度(左触角约从27.7度增至59.5度)。而尾须刺激虽然也能加速,但相关性较弱、并非线性可控,团队因此建议尾须刺激用10–40赫兹更合适。

昆虫毕竟是活的,时间长了会对电刺激"习惯化"(habituation)、变得不听使唤。为此团队设计了两个新招:一是"U型转弯计数器",当单侧触角没反应时,就给另一侧连续几次低频刺激,诱导它掉头恢复方向感;二是当双侧都迟钝时,把刺激频率提高10赫兹。

而到了打针的关键时刻,还有一套专门的稳定策略:过了第三个检查点、进入发射范围后,停止尾须刺激,只用低频单侧触角刺激微调方向,最后用双侧触角刺激让蟑螂"定住",再触发注射。

靠这套控制,Paraborg在所有实验中都100%通过了三个检查点。在25次注射试验里,72%成功将药液注入硅胶靶。研究进一步指出,当在距目标150毫米内的近距离触发时,注射成功率可达约95%;而在150–250毫米的远距离,失败率明显上升。

03.

一只带刀,一只带眼:双虫协作

把摄像头和注射装置都塞到一只蟑螂身上,会增加功耗、拖累机动性。于是团队提出了"团队作战"的思路:至少派两只Paraborg配合。

其中一只当"观察员",背着无线Wi-Fi摄像头(2.4GHz,约24帧,续航约2小时),负责寻找伤者、提供实时画面;另一只则携带AIM,是真正的"送药员"。观察员找到目标后,送药员跟随进入摄像头视野,由后方的急救人员遥控完成注射。

研究还验证了两只蟑螂全程结伴同行的场景:观察员既提供画面,又能充当"导航员"监督另一只。当二者在狭窄环境里暂时失去视觉联系,可以让送药员原地待命、观察员绕过障碍重新找到它。

值得强调的是,团队反复说明这是一个人在环路(human-in-the-loop)的方案——是否注射的最终决定,始终交给受过训练的医护和救援人员,而不是让昆虫自己拿主意。

研究人员也没有回避局限:实验都在受控环境下完成,尚未面对真实废墟里的碎石、沙土、复杂地形;蓝牙信号会被混凝土、土壤强烈衰减;药物相容性、临床剂量等也需更严格的研究。此外,目前的针头(31G×6毫米)和0.5毫升储液量也限制了给药量。

即便如此,这项工作仍被认为是首个较系统的"急救昆虫"概念验证,把昆虫机器人从"搜索"向"在地医疗干预"推进了一步。未来,或许真的会出现由一群各司其职的半机械昆虫组成的"救援小队"。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.76973