穿潜水服的蟑螂见过没？能搜救、巡管道，下一步还要奔外星

2025年3月28日，缅甸中部发生7.7级地震，造成了数千人遇难。震后，新加坡民防部队的“狮心行动”救援队迅速抵达重灾区。这支队伍里，除了我们熟悉的搜救人员和搜救犬，还多了一组不寻常的“编外力量”：10只经过特殊改造的马达加斯加发声蟑螂。

这可是人工改造昆虫首次被部署到真实任务场景中。技术来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厘米的蟑螂驮着一枚微型电子背包，里面集成了红外摄像头、传感器、微控制器和通信模块。

这支“蟑螂小队”的任务，是进入人类和常规救援机器人都无法触及的狭窄废墟缝隙。它们采集热信号、二氧化碳浓度和微弱运动等信息，由机器学习算法初步判别生命迹象，再将数据无线回传至地面。

最近，团队在《自然-通讯》上发文，介绍了一种可穿戴的“潜水服”。蟑螂穿上它，就能在水下持续作业2到3小时。想想看，一只被先进装备加持、几乎能上天入地无所不能的“小强”，未来在瓦砾与积水并存的混合灾难现场，该能发挥多么独特的作用。

（来源：Hirotaka Sato Group）

赛博格蟑螂：得活着，还得干活

赛博格昆虫，简单说就是活体昆虫与微电子技术的混合体。要控制赛博格蟑螂按人类的意愿运动，原理其实并不复杂。佐藤裕孝团队在它的触角末端和腹部第三节，分别植入了镀特氟龙银线电极，用来向神经系统发送微弱电脉冲。这就像是传递了一个“身体某侧受到威胁”的假信号，蟑螂的中枢神经接收后，就会本能地向反方向移动。

研究人员用一块10毫米见方的定制电路板作为无线刺激模块，只需要3到4伏、持续0.6秒的电压脉冲，就能控制蟑螂前进和转向。内置的锂电池充一次电能用上好几个小时。这套系统里，人类只管发送方向指令，不用去直接驱动肌肉、关节和感知系统，蟑螂在生物学上仍然是完整的活体。

但问题来了，陆生昆虫没有肺，呼吸通常靠位于胸部的气门完成。空气从气门直接进入体内的气管网络，氧气以扩散方式抵达组织细胞。一旦气门浸没水中，蟑螂在两分钟内就会窒息。这严重限制了赛博格昆虫参与水下任务的能力。

要解决这个问题，研究团队为蟑螂设计了一套可穿戴的自产氧潜水服。

其中最核心的，是一个化学产氧模块。潜水服的反应舱，借助的其实是高中化学课本里的经典反应：二氧化锰在中性条件下，能自发催化分解过氧化氢。这个过程不需要任何电子元件或外部能源，产物只有无害的水和氧气。

为了控制反应速率，避免产生剧烈气泡干扰蟑螂运动，研究人员把二氧化锰粉末塞进一块亲水纤维素海绵，让反应限制在固-液微界面上分散进行，从而把产氧速率降到了适宜的水平。

团队还在反应舱顶盖嵌入了一层疏水聚四氟乙烯微孔膜，只允许气体通过，避免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到24.0℃之间，没有产生局部热积聚。团队还对5只穿戴了潜水服的蟑螂进行了3天观察，全部存活，行为也完全正常。

研究人员用了弹性树脂作为3D打印材料，造出厚约1毫米的包裹性防水外壳，同时也兼作氧气储运舱。团队一开始尝试把产氧模块装在背部，但后来发现重心改变了，加上水下阻力过大，蟑螂动不动就翻倒。最终的方案，是把产氧舱定位在腹部末端，用锥形壳体连到腹部。壳体前端与蟑螂第一腹节之间，用弹性丁腈橡胶膜密封，这样既能防水，也能适应个体尺寸差异和运动中的身体形变。

蟑螂的两对胸气门结构并不相同：前胸气门是可见凹槽形的气门瓣；中胸气门则只有一个小孔。为了同时给两对气门输氧，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住气门瓣的匙形罩盖；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。四根硅胶导管连通产氧舱与两对气门，形成一个密闭的输氧通路。

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

穿上潜水服后，蟑螂内部的氧浓度峰值能达到50%左右，3小时后仍维持在约14.8%的水平，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，穿戴着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，不过转向速度受水下阻力影响较大。若按体长计算，这类潜水服蟑螂的陆地和水下运动速度，都优于当前多数两栖机器人。

整套潜水服重量不到6克，加上防水处理后仅重0.7克的电子背包，整套负载仍远低于它能够承受的最大负载。

为了验证这套系统在真实极端场景中的可用性，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，后段浸水。作为对照，普通蟑螂进入二氧化碳段后，仅数秒便失去响应；另一只被引导进入水段后，45秒内就因为窒息完全停止运动。而穿戴潜水服的赛博格蟑螂，全员成功穿越了两个危险区，行为正常，步态稳定。

（来源：Nature Communications）

为了让蟑螂能钻进更狭窄的水下缝隙，团队还测试了一种“全内置”的配置：把控制背包和电池直接植入蟑螂体内。这个配置不仅让蟑螂成功穿越了仅2厘米高的水下裂缝，还因为内部质量分布更接近中轴而降低了重心，减少了水下翻倒的概率。

上天入地，未来还要送赛博格蟑螂进外星

佐藤裕孝对赛博格昆虫的研究，其实早在2008年就开始了。当时他在美国加州大学伯克利分校做博士后，主导了一项对花金龟的改造，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”和《麻省理工科技评论》的“十大新兴技术”。

（来源：MIT Technology Review）

受到2011年日本大地震的触动，佐藤裕孝将研究对象逐步转向了马达加斯加发声蟑螂。这种昆虫虽然不会飞，但体格结实，5.5克的身躯可以承载近3倍于体重的质量，加上性格相对沉稳，成了地面搜救场景的理想载体。

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，使得赛博格蟑螂具备了长时间户外作业的可能。

蟑螂一旦“习惯”了反复的电刺激，响应就会逐渐减弱。2024年，团队提出了带有刺激调节和“打破习惯化”功能的导航算法，把持续可控运动时间从半小时延长到了2小时以上，同时将刺激电压降低了25%，减少了过度刺激带来的疲劳。

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。多只赛博格蟑螂可以在未知复杂地形中协同行进、减少滞留，人工干预次数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，人工组装一只赛博格蟑螂也需要1小时以上。2025年7月，团队在《自然-通讯》发表了全球首条赛博格昆虫自动化装配线。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，仅需1分8秒就能组装一只。

既然改造一只活蟑螂要费这么大劲，为什么不直接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，它的步态控制、地形适应、快速转向和感知反馈的效率，远超同尺寸的机械微型机器人。其次是功耗问题，赛博格昆虫只需要搭载传感和低功耗信号刺激这些电子元件，就能驱动生物体长时间活动，功耗和续航都优于同类纯机械方案。

但这也带来了相应的代价。昆虫的作业范围受限于可使其存活的物理条件。近20年来，佐藤裕孝一直在尝试借助人工改造，让它们适应更多更极端的环境，同时保持稳定可用性。

赛博格蟑螂的应用场景，正从搜救扩展到基础设施巡检。2025年初，团队启动了一个新试点：把赛博格蟑螂送进城市地下管道，检查腐蚀和渗漏。

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，摄像头可以拍摄管壁，并通过机器学习识别缺陷。

这个方案的主要优势在于尺寸：蟑螂可以钻进2厘米宽的缝隙，而大部分机械设备做不到这一点。项目正在新加坡滨海高速公路沿线的模拟管道环境中测试，研究人员正与相关机构商谈真正进入管网的可能性。

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，学界对昆虫是否具有主观痛苦体验尚未达成明确共识。不过，该实验中蟑螂的行为和存活指标未见异常。论文明确指出，实验蟑螂气门处的黏合剂可以清除，褪去潜水服后能够正常活动。

未来，团队计划继续扩展这套赛博格昆虫系统。例如集成微型氧浓度传感器和微泵，实现按需灵活供氧等。此外，在验证了水下场景后，佐藤裕孝计划带蟑螂走入更极端的环境，比如在极端温度、真空和辐射条件下测试赛博格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，短短十几年间，它们被仅有约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/