Биогибридные роботы-медузы помогают ученым исследовать океаны
В таинственных глубинах океана назревает революция в исследовании. Исследователи из Калифорнийского технологического института (Калифорния) впервые применяют уникальный подход: биогибридные медузы-роботы. Роботы объединяют живых медуз с крошечной электроникой, превращая их в машины для сбора данных. Таким образом, этот проект открывает потенциал для изучения последнего рубежа Земли, что имеет глубокие последствия для исследований климата и не только.
Преодолевая разрыв: Биогибридные роботы-медузы в качестве водных исследователей
Эта инициатива, подробно описанная в исследовании, опубликованном в журнале Bioinspiration & Biomimetics, представляет собой создание биогибридных роботов-медуз.
Это не обычные морские обитатели. По сути, это океанские киборги, оснащенные электроникой, улучшающей их плавательные способности, и протезом-"шапкой", который не только упрощает их движения, но и позволяет переносить небольшие грузы. Джон Дабири, столетний профессор аэронавтики и машиностроения в Калифорнийском технологическом институте и идейный вдохновитель этого исследования, представляет себе этих биогибридных медуз как инновационных собирателей данных.
Их задача - путешествовать по океанам, собирая важнейшую информацию о температуре, солености и уровне кислорода - все жизненно важные данные, проливающие свет на меняющийся климат Земли. Дабири говорит о важнейшей, но недостаточно изученной роли океана в определении настоящего и будущего климата: "Хорошо известно, что океан играет важнейшую роль в определении нашего настоящего и будущего климата на суше, но мы по-прежнему знаем об океане удивительно мало, особенно вдали от поверхности.
"Наша цель - наконец-то сдвинуть эту иглу с мертвой точки, используя нетрадиционный подход, вдохновленный одним из немногих животных, которое уже успешно исследует весь океан", - объясняет Дабири.
От механических к биогибридным роботам
Путь к биогибридным роботам-медузам начался с попыток Дабири имитировать плавательный механизм медузы с помощью механических роботов. Несмотря на то что робот плавал, как его биологический аналог, его эффективность была ниже, чем у настоящей медузы. Это осознание заставило сосредоточиться на совершенствовании самих медуз, используя их природные способности в исследовании океана.
"Медузы - это оригинальные исследователи океана, они достигают самых глубоких его уголков и одинаково хорошо чувствуют себя как в тропических, так и в полярных водах", - говорит Дабири. "Поскольку у них нет мозга или способности чувствовать боль, нам удалось в сотрудничестве со специалистами по биоэтике разработать биогибридного робота с соблюдением этических принципов".
Наука, лежащая в основе биогибридных роботов-медуз
Ранее команда Дабири разработала электронный кардиостимулятор для управления скоростью плавания медуз, обнаружив, что более быстрый темп плавания повышает их эффективность.
Основываясь на этом, команда представила новое дополнение: передние органы, или протезы-"шапочки", разработанные аспирантом Саймоном Анушиком (Simon Anuszczyk). Эти устройства не только придают медузе обтекаемость, снижая сопротивление и повышая эффективность, но и служат носителями для датчиков и электроники.
"Подобно заостренному концу стрелы, мы спроектировали напечатанные на 3D-принтере передние органы, чтобы придать медузе-роботу обтекаемую форму, уменьшить сопротивление и повысить эффективность плавания", - говорит Анущик.
"В то же время мы экспериментировали с 3D-печатью, пока не смогли тщательно сбалансировать плавучесть и удержать медузу в вертикальном положении".
Чтобы оценить возможности медузы, в лаборатории Гуггенхайма Калифорнийского технологического института был построен уникальный вертикальный аквариум. Этот трехэтажный аквариум, напоминающий вертикальную беговую дорожку для пловцов, позволяет исследователям имитировать глубоководные условия океана.
Плавательные тесты показали, что медузы, оснащенные плавательным кардиостимулятором и передним телом, могут плавать в 4,5 раза быстрее, чем их естественные собратья, неся при этом полезную нагрузку, причем стоимость одной медузы составляет около 20 долларов. Это экономически выгодная альтернатива непомерным расходам на эксплуатацию исследовательских судов.
Заглядывая в будущее, Дабири выражает волнение по поводу потенциальных открытий в ранее ненаблюдаемых частях океана. Команда намерена и дальше совершенствовать биогибридных медуз, в перспективе сделав их управляемыми для всестороннего горизонтального и вертикального исследования.
"Используя природную способность медуз выдерживать экстремальное давление в глубинах океана и их способность питаться, мы можем решить эту инженерную задачу", - добавляет Дабири.
"Нам все еще нужно разработать пакет датчиков, чтобы он выдерживал такое же сокрушительное давление, но это устройство меньше, чем мяч для игры в софтбол, что значительно упрощает его проектирование по сравнению с полноценным подводным аппаратом, работающим на таких глубинах", - заключил Дабири.
