基于多材料3D打印的仿生昆虫头具与腹扣式非侵入性刺激器：实现半机械昆虫的快速安全安装与感知功能保全

为解决传统半机械昆虫制备中侵入性电极损伤感觉器官、限制运动能力及伦理问题，研究人员开发了基于钩挂机制、多材料DLP 3D打印和选择性化学镀技术的非侵入式可穿戴刺激器。该设备通过钩挂式头具与腹扣实现天线柄节和腹节的无损固定，保留昆虫自然感知功能，实验证明其障碍穿越效率显著优于植入式电极，为半机械昆虫在搜救等领域的伦理化应用提供新范式。

　　

在灾难救援、环境监测等领域，昆虫与电子系统融合形成的半机械昆虫（Cyborg insects）展现出独特优势。它们凭借天生的环境适应性和灵活运动能力，可深入管道、废墟等复杂环境执行任务。然而现有技术存在明显瓶颈：传统侵入式电极需切断触角或尾须，损伤关键感觉器官，不仅影响昆虫自主避障能力，还引发动物福利伦理争议。尽管已有研究尝试用导电凝胶粘贴表面电极，但粘合剂易失效、操作繁琐等问题仍制约其应用。

针对这些挑战，研究团队创新性地开发了基于钩挂机制的多材料3D打印可穿戴设备。该系统包含两个核心组件：通过三钩结构固定于头壳的仿生头具，其C形连接器可弹性卡扣在天线柄节（scape）；以及采用U型夹设计、利用腹节叠层结构锁定的腹扣。这些部件通过数字光处理（DLP）多材料3D打印技术制造，其中与昆虫接触的导电部分使用含Pd²⁺的活性前驱树脂打印，后续通过选择性化学镀沉积铜层形成导电通路。

关键技术方法包括：1）基于马达加斯加蟑螂解剖结构的三规格头具分类设计；2）多材料DLP 3D打印实现绝缘/导电区域一体化制造；3）选择性化学镀技术构建微米级铜导电层（2.4-2.67μm最佳厚度）；4）神经电信号记录系统验证刺激有效性；5）VICON运动捕捉系统量化行为响应。

可穿戴设备设计研究

通过分析蟑螂头壳三维模型，将头具分为大、中、小三种规格（头宽5.70-6.39mm）。头具采用三角分布的三个钩状结构，中央钩固定于复眼间头部顶端，两个侧钩卡于头壳底部。C形连接器利用材料弹性临时变形包覆天线柄节，内壁镀铜并涂抹导电膏确保电信号传导。腹扣设计则利用腹节叠层结构（第1-2腹节重叠2.63mm，第6-7腹节重叠1.69mm）的机械锁合效应，通过双侧钩钳固定背板边缘。

可穿戴设备制造与性能验证

多材料打印过程中，正常树脂与含Pd²⁺活性前驱树脂在405nm紫外光下交联成型。化学镀铜最佳参数为：镀覆时间25-30分钟（涂层厚度2.4-2.67μm），化学蚀刻时间20-25分钟（粘附等级4B）。电性能测试显示表面电阻率随镀覆时间先降后升，40-50分钟时导电性最优。电极阻抗测量表明：第六腹节至接地端阻抗70.3kΩ（CV=8.8%），左右天线通路阻抗约123kΩ（CV=11.6-13.5%）。

神经响应验证

通过玻璃吸吮电极记录腹神经索（VNC）信号发现：腹节刺激在1.0-5.0V电压下激发频率从30Hz升至200Hz，但高电压变异性大（CV>1）；天线刺激在2.0-3.5V区间响应最稳定（CV<0.2），其中2.0V时变异系数最低（CV≈0.1）。双相方波刺激（42Hz，50%占空比）能有效诱发转向（天线刺激）和加速（第六腹节刺激）行为。

运动控制性能

穿戴设备的半机械昆虫在加速刺激下线性速度从23.81mm/s提升至56.78mm/s（P<0.05）；左右转向时角速度分别从25.36°/s和20.41°/s增至64.95°/s和52.96°/s。在S形路径导航测试中，轨迹与预设路径的均方根误差为2.91±1.17cm，平均使用12.4次左转、16.6次加速和14.2次右转指令完成全程。

障碍穿越对比

与传统植入电极相比，穿戴设备组在大障碍（混凝土块）穿越中耗时缩短70%（23.16s vs 78.25s，P=0.011），移动距离减少55%（789.34mm vs 1,745.89mm，P=0.0014）；在小障碍（岩石）测试中虽无统计显著性，但呈现类似趋势。行为学分析表明，完整触角使昆虫能通过触地感知触发下爬动作，而植入组因触角固定常滞留障碍顶端徘徊。

该研究通过创新性的可穿戴设备实现了半机械昆虫制备的技术突破。非侵入式电极保全了昆虫的感觉功能，钩挂机制避免了粘合剂使用，多材料3D打印与化学镀技术确保了设备的定制化生产和电学性能。实验证明该方案不仅提高障碍导航效率（大障碍穿越时间减少70%），还支持昆虫重复使用，符合动物实验的“3R原则（替代、减少、优化）”。这项发表于《Cyborg and Bionic Systems》的工作为半机械昆虫在搜救、探测等领域的伦理化、规模化应用奠定了关键技术基础，为生物混合系统的发展提供了新范式。未来研究将聚焦于设备微型化（确定最小有效体型阈值）和闭环自主控制（集成IMU实现环境自适应导航），进一步推动半机械昆虫向实用化迈进。