Revolutionaire onderwaterverkenning: de Pleobot van de Brown University ontsluit oceaangeheimen

Stel je een geavanceerd netwerk van onderling verbonden, zelfsturende robots voor. Ze opereren eensgezind, als een ingewikkeld waterballet, navigeren door de pikdonkere diepten van de oceaan, voeren gedetailleerde wetenschappelijke onderzoeken uit en voeren zware zoek- en reddingsmissies uit. Deze futuristische visie komt steeds dichter bij de realiteit, dankzij onderzoekers van de Brown University, die baanbrekend werk verrichten bij de ontwikkeling van een nieuw type onderwaternavigatierobots. Een zo'n robotplatform, Pleobot genaamd, is de ster van hun recent gepubliceerde studie in Wetenschappelijke rapporten.

Krill, die kleine schaaldieren die een cruciaal onderdeel vormen van mariene ecosystemen, zijn buitengewone zwemmers met uitzonderlijke mogelijkheden op het gebied van manoeuvreerbaarheid, versnelling en draaien. Hun opmerkelijke atletische vaardigheden hebben de onderzoekers van Brown University geïnspireerd om Pleobot te ontwikkelen - een robotplatform dat bestaat uit drie gearticuleerde secties die de metachronale zwemstijl nabootsen die kenmerkend is voor krill.

"Pleobot biedt ons ongeëvenaarde resolutie en controle om alle aspecten van krillachtig zwemmen te onderzoeken die hem helpen uitblinken in het manoeuvreren onder water", zegt Sara Oliveira Santos, een Ph.D. kandidaat aan Brown's School of Engineering en de hoofdauteur van de studie.

Het onderzoeksteam wil Pleobot gebruiken als een alomvattend hulpmiddel om krillachtig zwemmen te begrijpen en het potentieel van 100 miljoen jaar evolutie te benutten om betere robots voor oceaannavigatie te ontwikkelen.

Mechanica van Pleobot: de wonderen van het zwemmen met krill nabootsen

Het Pleobot-project is een internationale samenwerking tussen Brown University en de Universidad Nacional Autónoma de México. Samen ontcijferen ze de mysteries van hoe krill, bekend als metachronale zwemmers, door complexe mariene omgevingen navigeert en tweemaal per dag kolossale verticale migraties van meer dan 1,000 meter uitvoert, wat overeenkomt met het stapelen van drie Empire State Buildings.

"We hebben snapshots van de mechanismen die ze gebruiken om efficiënt te zwemmen, maar we hebben geen uitgebreide gegevens", legt Nils Tack uit, een postdoctoraal medewerker in het Wilhelmus-laboratorium aan de Brown University.

Het team heeft Pleobot gebouwd en geprogrammeerd om de beenbewegingen van de krill nauwkeurig na te bootsen en de vorm van de aanhangsels te veranderen, waardoor een nieuw, meer diepgaand inzicht wordt verkregen in de interactie tussen vloeistof en structuur op aanhangselniveau.

Pionieren in de toekomst van autonome onderwatervoertuigen

Volgens de onderzoekers stelt de metachronale zwemtechniek krill in staat om opmerkelijk goed te manoeuvreren, waarbij ze een sequentiële inzet van hun zwemmende benen in een golfachtige beweging vertonen. Dit kenmerk is iets waarvan ze denken dat het kan worden opgenomen in toekomstige inzetbare zwermsystemen. Monica Martinez Wilhelmus, assistent-professor Engineering aan de Brown University, stelt: "Als we in staat zijn om vloeistof-structuurinteracties op appendageniveau te begrijpen, kunnen we weloverwogen beslissingen nemen over toekomstige ontwerpen.

Deze toekomstige robotzwermen kunnen de oceanen van de aarde in kaart brengen, deelnemen aan uitgebreide zoek- en bergingsmissies of zelfs de oceanen van manen in ons zonnestelsel verkennen, zoals Europa. Wilhelmus voegt eraan toe: "Krill-aggregaties zijn een uitstekend voorbeeld van zwermen in de natuur... Deze studie is het startpunt van ons langetermijnonderzoeksdoel om de volgende generatie autonome onderwaterdetectievoertuigen te ontwikkelen."

De betekenis van het ontwerp van Pleobot

Bij de constructie van Pleobot is een multidisciplinair team betrokken dat gespecialiseerd is in vloeistofmechanica, biologie en mechatronica. De componenten bestaan ​​voornamelijk uit 3D-printbare onderdelen en het ontwerp is open-source. De onderzoekers hebben de openings- en sluitingsbeweging van de tweeramige vinnen van krill nagebootst, vermoedelijk een primeur voor een dergelijk platform. Het model is gebouwd op tien keer de schaal van krill, die meestal ongeveer zo groot is als een paperclip, waardoor nauwkeurigere observatie en analyse mogelijk is.

"In de gepubliceerde studie onthullen we het antwoord op een van de vele onbekende mechanismen van het zwemmen met krill: hoe ze lift genereren om niet te zinken terwijl ze vooruit zwemmen", zegt Oliveira Santos. "We hebben dat mechanisme kunnen ontdekken door de robot te gebruiken", voegt Yunxing Su, een postdoctoraal medewerker in het laboratorium, toe. Ze ontdekten dat een lagedrukgebied aan de achterkant van de zwemmende benen bijdraagt ​​aan de verhoging van de liftkracht tijdens de krachtslag van de bewegende benen, een cruciale bevinding voor het begrijpen en repliceren van het efficiënte zwemmen van krill.

Het baanbrekende werk van het Brown University-team met Pleobot markeert een belangrijke stap voorwaarts in de zoektocht naar de ontwikkeling van de volgende generatie autonome onderwaterdetectievoertuigen. De mogelijkheden lijken zo enorm als de oceanen die deze robots moeten verkennen.