加州理工学院与斯坦福大学的工程师开发出一种微型假体，使水母能够比平时游得更快、更高效，同时不会对动物造成压力。该项目的研究人员设想，未来可以引导配备传感器的水母去探索并记录海洋信息。
水母依靠脉动式运动向前推进，移动时摆动触手以捕获猎物。这种新型假体利用电脉冲来调节并加快这种脉动，其原理类似心脏起搏器调节心率。该装置在水中呈中性浮力，直径约为两厘米，通过一根小型木质倒刺附着在水母身体上。
该研究由加州理工学院的约翰·达比里（John Dabiri）（硕士，2003年；博士，2005年）、航空与机械工程百年教授，以及斯坦福大学研究生妮可·徐（Nicole Xu，硕士，2015年）领导完成，研究成果于1月29日发表在《科学进展》（Science Advances）上。
通常情况下，水母的游速约为每秒两厘米。尽管它们能够移动得更快，但这样做并无助于捕捉猎物，而捕猎正是它们通过挥动触手进行“游动”的典型原因。
在论文所述研究中，达比里、徐及其同事为水母装配了一个微电子控制器，其脉动频率比动物平时的身体脉动快三倍。动物的脉动加快，其游速相应提高至每秒约4至6厘米。
除了使水母游得更快，电刺激还使它们的游动更加高效。尽管水母的游速是平时的三倍，但它们只多消耗了两倍的能量（以游动过程中动物消耗的氧气量衡量）。徐表示，事实上，配备假体的水母比游动机器人的效率高出1000多倍。
“我们已经证明，它们能够在不额外增加新陈代谢负担的情况下，移动速度远超平时，”徐说，“这表明水母拥有尚未开发的能力，可以实现更快、更高效的游动。只是它们通常没有理由这样做。”
需要指出的是，研究人员对水母进行了密切监测，以确保它们未受伤害。水母没有大脑，也没有痛觉感受器，但研究发现它们在受到压力时会分泌黏液，而本次实验中并未观察到此类分泌现象。此外，移除假体后，水母便恢复了正常游动。
该研究代表了达比里过去十年间参与的两类仿生机器人研究之间的“中间地带”，这些研究均在加州理工学院和斯坦福大学开展。一类研究完全使用机械部件，另一类则完全使用生物材料。
在纯机械系统方面，达比里已成功制造出外形酷似真实动物的机器人，但完成同样的任务却需要多得多的能量。“我们尚未捕捉到生物系统的精妙之处，”他指出。然而，尽管纯生物系统比机器人更为精妙，但其脆弱性要高得多。事实上，达比里与哈佛大学的同事合作证明，大鼠心肌细胞能够对电场作出反应——这可能使其成为生物装置的有用构建单元——但这些细胞只能在实验室条件下存活。
为水母加装机械控制装置的工作始于2013年，当时徐还是加州理工学院的本科生，在达比里的实验室参加本科生暑期研究奖学金（SURF）项目。达比里之所以有兴趣利用水母进行海洋探测与传感，是因为水母数量丰富：本次实验所用的物种遍布全球海洋，栖息深度从海面一直延伸至深海海沟底部。
“目前仅探索了海洋体积的5%至10%，因此我们希望利用水母无处不在这一优势，实现从船基测量的跨越。船基测量因成本高昂而数量有限，”达比里说，“如果我们能找到引导这些水母的方法，并为其配备传感器以监测海水温度、盐度、氧气含量等指标，我们便可能建立一个真正的全球海洋网络。每个水母机器人的安装成本仅需几美元，并且可以从海洋中已有的猎物那里获取能量。”
目前，该假体已能引导水母开始游动并控制其速度。达比里表示，下一步将是开发一套系统，用以引导水母朝特定方向游动，并使其能够对机载传感器发出的信号作出反应。他希望进一步开发更小的电子控制装置，使其能够完全嵌入水母组织中，从而成为持久且不易被察觉的假体。
该研究的题目为“活体水母中嵌入的低功耗微电子器件可增强推进力”。本研究由美国国家科学基金会资助。
