尽管科学界竭尽全力探索海洋，但其深处的绝大部分仍然未被看见。海洋总共加起来超过13亿立方千米——足以填满一个地球十分之一宽的球体——而像深海潜艇和游泳无人机这样的昂贵工具，必须大量投入使用，才能覆盖哪怕是其中一小部分水域。但是像月亮水母这样的生物已经遍布海洋，现在加州理工学院和斯坦福大学的研究人员正试图将这些脆弱的生物变成可控制的半机械生物。
科学家们用现成的零件制造了一种微电子“假体”或“游泳控制器”。他们用一根短木销将其固定在碟子大小的月亮水母的腹面，然后将两个电极从设备连接到该生物的钟状体的两侧。激活后，该假体会以有规律的电子脉冲刺激水母的肌肉。为了尽量减少对动物的影响，研究人员将电子元件装在一个两厘米宽的圆柱形外壳内，并添加了软木浮子和不锈钢配重，以保持系统处于中性浮力。科学家们在水箱中对六只月亮水母进行了该设备的测试，发现它可以使这些动物以接近其自然速度三倍的速度游泳。在佩戴未激活的游泳控制器时，它们保持了典型的速度。该研究结果于周三在《科学进展》杂志上发表。
尽管该设备仅影响了水母的速度，但研究人员计划在后续版本中添加转向和感应能力。“经过一些相对简单的修改，我们认为有可能实现转向——因此可以告诉你的动物，‘在这里左转，在那里转 30 度，在另一个位置掉头，’”该研究的合著者、加州理工学院的机械工程师约翰·达比里说。一旦他们进行了修改，达比里和他的合著者、斯坦福大学的生物工程博士生妮可·W·徐就可以在该设备上添加传感器。“最终，”达比里说，“我们的想法是，当[水母]在路径上时，它们会记录海洋的温度、盐度、pH值——所有我们在试图量化当前和未来海洋健康和气候变化时所关心的变量。” 他补充说，研究人员可能有一天能够使用这种半机械生物来绘制一个区域的地图，例如，收集数据直到它们的游泳控制器使它们返回水面。
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“关于海洋的数据在很多应用中都非常有用，”美国国家海洋和大气管理局海洋渔业局的生态学家埃利奥特·哈岑说，他没有参与这项新的研究。“了解海洋中的模式可以帮助我们提高预测天气的能力。与此同时，我们一直在使用海洋测量来帮助指导海洋活动——这可能包括告诉渔民他们更有可能遇到受关注的物种的位置，以便他们可以减少兼捕。”
研究人员为一些月亮水母安装了假体“游泳控制器”。图片来源：妮可·徐和约翰·达比里加州理工学院
将动物变成活体传感器显然会引发道德问题。然而，达比里指出，月亮水母没有大脑、中枢神经系统，也没有哺乳动物那样的痛觉感受器，例如，它们会对木销穿透其身体组织产生反应。已知该物种在受到压力时会产生粘液，但研究人员表示他们对受试者进行了监测，并未发现这种反应的迹象。他们还表示，水母在几天内就痊愈了，并在实验结束后和假体移除后恢复了正常功能。达比里认为，如果将半机械水母部署为海洋监测器，它们可以过上相对正常的生活。“我们可能对这样一种情景感兴趣，即该设备被嵌入数年，收集数据，”他说。在那之后，“它可能会从动物身上脱落并返回水面，然后可以在那里读取数据。”
作为活体传感器，仿生水母比海洋机器人具有几个优势。首先，它们可以存活多年，通过进食来为自己提供能量。假体本身需要电池，但由于它的任务只是刺激电极而不是为电机供电，因此未来的版本可能会很小——研究人员声称，实验中一种“增强型”水母的能量效率是现有游泳机器人的 10 到 1,000 倍。以更快的速度移动确实迫使水母消耗了平时两倍的能量，但这个数字实际上低于研究人员的预期：他们最初认为将速度提高三倍可能需要九倍的能量。“它们在更快的速度下更有效率。它们确实消耗更多的能量——但不如你预期的性能增加那么多，”达比里说。“据我们所知，它们是世界上能量效率最高的游泳动物。” 他解释说，当水母弯曲它们软绵绵的身体时，它们会以一种无需消耗大量额外能量就能提高其前进运动的方式改变周围的水压。
电子游泳控制器使经过改造的水母比其正常速度快了近三倍。图片来源：妮可·徐和约翰·达比里加州理工学院
另一个优点是，月亮水母已经生活在地球的海洋中，处于各种温度和深度。电子假体在深水区会很脆弱，但达比里表示，加强那个小部件比制造一个带有运动部件的防深水机器要容易。
哈岑说：“随着气候变化等因素的影响，我们看到新的海洋状态和新的生态系统对我们环境变化的反应。“我们正在进入一个领域，我们需要越来越依赖动物来告诉我们海洋中重要的地方在哪里。因此，我们越能为物种（尤其是像水母这样没有受到威胁的物种）配备装备以了解我们的海洋环境，我们就越能为未来的变化和相应的威胁做好准备。”
达比里说：“这里的想法是用大量非常低成本的仿生——如果你愿意这么称呼的话——水母部署来取代过去几十年真正主导海洋科学的少量非常昂贵的平台。”