Vallankumouksellinen vedenalainen tutkimus: Brownin yliopiston Pleobot avaa valtameren salaisuudet

Kuvittele monimutkainen, itseohjautuvien robotien verkosto, jotka toimivat yhteen, kuin tarkka vesibaletti, navigoiden pimeyden keskellä olevan valtameren, suorittaa yksityiskohtaisia tieteellisiä tutkimuksia ja korkean panoksen etsintä- ja pelastusoperaatioita. Tämä tulevaisuudennäkymä on lähellä toteutumista, kiitos Brownin yliopiston tutkijoita, jotka ovat uranuurtajia uudenlaisen vedenalaisen navigointirobottikehityksessä. Yksi tällainen robotti, Pleobot, on heidän viimeisimmän tutkimuksensa tähti, joka on julkaistu Scientific Reports-julkaisussa.

Krillit, ne pienet äyriäiset, jotka ovat olennainen osa merekosysteemejä, ovat erinomaisia uimareita, joilla on poikkeukselliset kyvyt manööveroitavuudessa, kiihtyvyydessä ja kääntymisessä. Heidän huippu-urheilukykynsä ovat innoittaneet Brownin yliopiston tutkijoita kehittämään Pleobotia – robottialustaa, joka koostuu kolmesta nivelletystä osasta, jotka jäljittelevät krillien metakronaalista uimistyyliä.

“Pleobot antaa meille poikkeuksellisen resoluution ja hallinnan tutkia kaikkia krillimäistä uimista, joka auttaa sitä menestymään vedenalaisessa manööveroitavuudessa”, sanoo Sara Oliveira Santos, joka on tohtorikoulutettava Brownin insinööritieteellisessä tiedekunnassa ja tutkimuksen ensisijainen tekijä.

Tutkimusryhmän tavoitteena on käyttää Pleobotia kattavana työkaluna ymmärtää krillimäistä uimista ja hyödyntää 100 miljoonan vuoden evoluution potentiaalia kehittääkseen parempia robottija valtameren navigointiin.

Pleobotin mekaniikka: jäljittelemällä krillien uimisen ihmeitä

Pleobot-projekti on kansainvälinen yhteistyö Brownin yliopiston ja Universidad Nacional Autónoma de Méxicon välillä. Yhdessä he ovat purkamassa krillien saloja, jotka tunnetaan metakronaalisina uimareina, ja navigoivat monimutkaisissa meriympäristöissä ja suorittavat jättimäisiä pystysuoria muuttolentoja yli 1 000 metriä kahdesti päivässä – vastaava kuin kolme Empire State Buildingia.

“Meillä on valokuvia mekanismeista, joita he käyttävät uimisen tehokkuuden saavuttamiseksi, mutta meillä ei ole kattavaa tietoa”, selittää Nils Tack, joka on postdoc-tutkija Wilhelmusin laboratoriossa Brownin yliopistossa.

Tutkimusryhmä on rakentanut ja ohjelmoinut Pleobotin tarkkaan jäljittelemään krillien jalkaliikkeitä ja muuttaa liitinten muotoa, tarjoten uuden, syvemmän ymmärryksen fluid- ja rakennevuorovaikutuksista liitintasolla.

Uudenlainen tulevaisuus autonomisille vedenalaisille ajoneuvoille

Tutkijoiden mukaan metakronaalinen uimistekniikka mahdollistaa krillien erinomaisen manööveroitavuuden, jossa he käyttävät jalkojaan aaltoilevassa liikkeessä. Tämä ominaisuus on jotain, mitä he uskovat voivansa sisällyttää tuleviin käyttöönottolaitteisiin. Monica Martinez Wilhelmus, apulaisprofessori insinööritieteellisessä tiedekunnassa Brownin yliopistossa, toteaa: “Ymmärtäessämme fluid- ja rakennevuorovaikutuksia liitintasolla, voimme tehdä perusteltuja päätöksiä tulevista suunnitelmissa.

Nämä tulevaisuuden robotti-laumat voivat kartoittaa maapallon valtameriä, osallistua laajoihin etsintä- ja pelastusoperaatioihin tai jopa tutkia valtameriä kuilla, kuten Europa. Wilhelmus lisää: “Krillien ryhmät ovat erinomainen esimerkki luonnon laumoista… Tämä tutkimus on aloituspisteemme pitkäaikaisessa tavoitteessamme kehittää seuraavan sukupolven autonomisia vedenalaisia aistimisajoneuvoja.”

Pleobotin suunnittelun merkitys

Pleobotin rakentamisessa on mukana monitieteellinen tiimi, joka on erikoistunut fluidimekaniikkaan, biologiaan ja mekatroniikkaan. Sen komponentit koostuvat pääasiassa 3D-tulostettavista osista, ja suunnitelma on avoimen lähdekoodin. Tutkijat ovat jäljitelleet krillien siipien avaamis- ja sulkemisliikkeen, mikä on uskottavasti ensimmäinen kerta tällaiselle alustalle. Malli on rakennettu kymmenen kertaa krillien koossa, jotka ovat yleensä noin paperiliittimen kokoisia, mikä mahdollistaa tarkemman havainnoinnin ja analyysin.

“Julkaisemassamme tutkimuksessa paljastamme yhden krillien uimisen tuntemattomista mekanismeista: miten he tuottavat nostevoimaa, jotta eivät vajoa uidaessaan eteenpäin”, sanoo Oliveira Santos. “Pystyimme paljastamaan tämän mekanismin käyttämällä robottia”, lisää Yunxing Su, joka on postdoc-tutkija laboratoriossa. He löysivät, että matalapainealue takana uimajalkoja edistää nostevoiman parantamista liikkuvaan jalkaan liittyvän voimansiirron aikana, mikä on ratkaiseva havainto krillien tehokkaan uinnin ymmärtämiseksi ja jäljittelemiseksi.

Brownin yliopiston tutkimusryhmän uranuurtava työ Pleobotin kanssa merkitsee merkittävää loikkaa eteenpäin seuraavan sukupolven autonomisten vedenalaisien aistimisajoneuvojen kehittämisessä. Mahdollisuudet näyttävät yhtä laajoilta kuin valtameret, joita nämä robotit on tarkoitettu tutkimaan.