穿潜水服的蟑螂见过没？能搜救、巡管道，下一步还要奔外星
新加坡南洋理工大学团队为马达加斯加发声蟑螂设计可穿戴自产氧潜水服，使其能水下持续作业2—3小时。赛博格蟑螂已用于缅甸地震废墟搜救，未来可拓展至城市管道巡检及外星环境探索。
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/
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