Meduzy nie potrafią wiele zrobić poza pływaniem, użądleniem, jedzeniem i rozmnażaniem. Oni nawet nie mają mózgu. Jednak te proste stworzenia mogą z łatwością podróżować do głębin oceanów w sposób, w jaki ludzie, pomimo całego naszego wyrafinowania, nie są w stanie tego zrobić.
Ale co by było, gdyby ludzie mogli pozwolić meduzie eksplorować oceany w naszym imieniu i informować o tym, co znaleźli? Nowe badania przeprowadzone w Caltech mają na celu urzeczywistnienie tego celu poprzez stworzenie czegoś, co badacze nazywają biohybrydową robotyczną meduzą. Te stworzenia, które można uważać za oceaniczne cyborgi, wyposażają meduzy w elektronikę, która poprawia ich pływanie i protetyczny „kapelusz”, który może unieść niewielki ładunek, jednocześnie sprawiając, że meduza pływa w bardziej opływowy sposób.
Prace, opublikowane w czasopiśmie Bioinspiration & Biomimetics, przeprowadzono w laboratorium Johna Dabiri (MS '03, PhD '05), profesora aeronautyki i inżynierii mechanicznej z okazji stulecia, i opierają się na jego wcześniejszych pracach nad wzmacnianiem meduz. Celem Dabiri w tych badaniach jest wykorzystanie meduz jako robotów zbierających dane i wysłanie ich do oceanów w celu zebrania informacji o temperaturze, zasoleniu i poziomie tlenu, na które wpływa zmieniający się klimat Ziemi.
„Powszechnie wiadomo, że ocean ma kluczowe znaczenie dla określenia naszego obecnego i przyszłego klimatu na lądzie, a jednak wciąż zaskakująco mało wiemy o oceanie, zwłaszcza z dala od powierzchni” – mówi Dabiri. „Naszym celem jest wreszcie poruszenie tej igły poprzez przyjęcie niekonwencjonalnego podejścia zainspirowanego jednym z niewielu zwierząt, które z powodzeniem eksplorowało już cały ocean”.
Przez całą swoją karierę Dabiri szukał inspiracji w świecie przyrody, w tym meduz, w rozwiązywaniu wyzwań inżynieryjnych. Prace te rozpoczęły się od wczesnych prób w laboratorium Dabiri opracowania mechanicznego robota, który pływał jak meduza i który posiada najskuteczniejszą ze wszystkich żywych stworzeń metodę przemieszczania się w wodzie. Chociaż jego zespołowi badawczemu udało się stworzyć takiego robota, robot ten nigdy nie był w stanie pływać tak skutecznie, jak prawdziwa meduza. W tym momencie Dabiri zadał sobie pytanie, dlaczego nie po prostu pracować z samymi meduzami?
„Meduzy to pierwotni odkrywcy oceanów, docierający do jego najgłębszych zakątków i równie dobrze rozwijający się w wodach tropikalnych i polarnych” – mówi Dabiri. „Ponieważ nie mają mózgu ani zdolności odczuwania bólu, mogliśmy współpracować z bioetykami, aby opracować tę biohybrydową aplikację robotyczną w sposób zgodny z zasadami etycznymi”.
Wcześniej laboratorium Dabiri wszczepiło meduzie rodzaj elektronicznego rozrusznika serca, który kontroluje prędkość, z jaką pływają. W ten sposób odkryli, że jeśli sprawili, że meduzy pływały szybciej niż spokojne tempo, jakie zwykle utrzymują, zwierzęta stawały się jeszcze bardziej wydajne. Meduza pływająca trzy razy szybciej niż normalnie zużywa tylko dwa razy więcej energii.
Tym razem zespół badawczy poszedł o krok dalej, dodając do galaretek tak zwany przodek. Te przednie ciała przypominają kapelusze umieszczone na dzwonku meduzy (część zwierzęcia w kształcie grzyba). Urządzenia zostały zaprojektowane przez absolwenta i głównego autora Simona Anuszczyka (MS '22), którego celem było usprawnienie meduzy, zapewniając jednocześnie miejsce, w którym można przenosić czujniki i inną elektronikę.
„Podobnie jak ostry koniec strzały, zaprojektowaliśmy wydrukowane w 3D przednie ciała, aby usprawnić dzwonek robota meduzy, zmniejszyć opór i zwiększyć wydajność pływania” – mówi Anuszczyk. „W tym samym czasie eksperymentowaliśmy z drukiem 3D, aż udało nam się dokładnie zrównoważyć pływalność i utrzymać meduzę pływającą w pionie”.
Aby przetestować zdolność pływania wzmocnionych galaretek, laboratorium Dabiri podjęło się budowy ogromnego pionowego akwarium w Laboratorium Guggenheima w Caltech. Dabiri wyjaśnia, że trzypiętrowy zbiornik jest raczej wysoki niż szeroki, ponieważ badacze chcą zebrać dane na temat warunków oceanicznych daleko pod powierzchnią.
„W oceanie podróż w obie strony z powierzchni na głębokość kilku tysięcy metrów zajmie meduzie kilka dni, dlatego chcieliśmy stworzyć obiekt do badania tego procesu w laboratorium” – mówi Dabiri. „Nasz pionowy zbiornik pozwala zwierzętom pływać pod pionowy prąd, niczym bieżnia dla pływaków. Oczekujemy, że wyjątkowa skala obiektu – prawdopodobnie pierwsza tego typu pionowa bieżnia wodna – będzie przydatna do wielu innych podstawowych celów i stosowane pytania badawcze.”
Testy pływania przeprowadzone w zbiorniku wykazały, że meduza wyposażona w rozrusznik pływacki i przednią część ciała może pływać do 4,5 razy szybciej niż całkowicie naturalna galaretka, niosąc ładunek. Całkowity koszt jednej meduzy wynosi około 20 dolarów, mówi Dabiri, co sprawia, że galaretki biohybrydowe stanowią atrakcyjną alternatywę dla wynajmu statku badawczego, którego codzienne użytkowanie może kosztować ponad 50 000 dolarów.
„Wykorzystując naturalną zdolność meduz do wytrzymywania ekstremalnych ciśnień w głębinach oceanu oraz ich zdolność do zasilania się poprzez żerowanie, nasze wyzwanie inżynieryjne jest znacznie łatwiejsze do pokonania” – dodaje Dabiri. „Nadal musimy zaprojektować pakiet czujników, aby wytrzymywał te same ciśnienia zgniatania, ale to urządzenie jest mniejsze niż piłka do softballu, co znacznie ułatwia jego zaprojektowanie niż w pełni wyposażony pojazd podwodny działający na takich głębokościach.
„Jestem naprawdę podekscytowany możliwością zobaczenia, czego możemy się nauczyć, po prostu obserwując te części oceanu po raz pierwszy” – dodaje.
Dabiri twierdzi, że przyszłe prace mogą skupiać się na dalszym ulepszaniu właściwości bionicznych galaretek. W tej chwili można je zmusić do szybszego pływania tylko w linii prostej, tak jak ma to miejsce w przypadku pionowych ścieżek przeznaczonych do pomiarów w głębokich oceanach. Jednak dalsze badania mogą również sprawić, że będzie można je sterować, dzięki czemu można je kierować zarówno w poziomie, jak i w pionie.
Finansowanie badań zapewniła Narodowa Fundacja Nauki i Fundacja Charlesa Lee Powella.