Revolutie in onderwaterverkenning: Brown University’s Pleobot ontsluit geheimen van de oceaan

Stel je een geavanceerd netwerk van verbonden, zelfgestuurde robots voor. Ze opereren in harmonie, als een ingewikkeld aquatisch ballet, navigeren door de donkere diepten van de oceaan, voeren gedetailleerde wetenschappelijke onderzoeken uit en hoge-stakes zoek- en reddingsmissies. Deze futuristische visie komt steeds dichter bij de realiteit, dankzij onderzoekers aan de Brown University, die de ontwikkeling van een nieuw type onderwater navigatierobots pionieren. Een van deze robotplatforms, genaamd Pleobot, is de ster van hun onlangs gepubliceerde studie in Scientific Reports.

Krill, die kleine kreeftachtigen die een cruciaal onderdeel vormen van mariene ecosystemen, zijn buitengewone zwemmers met uitzonderlijke capaciteiten in maneuverabiliteit, acceleratie en draaien. Hun opmerkelijke atletische capaciteiten hebben de onderzoekers aan de Brown University geïnspireerd om Pleobot te ontwikkelen – een robotplatform dat bestaat uit drie gearticuleerde secties die de metachronale zwemstijl van krill nabootsen.

“Pleobot biedt ons ongeëvenaarde resolutie en controle om alle aspecten van krill-achtig zwemmen te onderzoeken die het helpen uitstekend te maneuveren onder water,” zegt Sara Oliveira Santos, een PhD-kandidaat aan de School of Engineering van Brown en de hoofdauteur van de studie.

Het onderzoeksteam wil Pleobot gebruiken als een uitgebreid instrument om krill-achtig zwemmen te begrijpen en het potentieel van 100 miljoen jaar evolutie te benutten om betere robots voor oceaanavigatie te ontwikkelen.

Mechanica van Pleobot: het nabootsen van de wonderen van krillzwemmen

Het Pleobot-project is een internationale samenwerking tussen Brown University en de Universidad Nacional Autónoma de México. Samen ontsluiten ze de mysteries van hoe krill, bekend als metachronale zwemmers, complexe mariene omgevingen navigeren en kolossale verticale migraties van meer dan 1.000 meter tweemaal daags uitvoeren – equivalent aan het stapelen van drie Empire State Buildings.

“We hebben momentopnames van de mechanismen die ze gebruiken om efficiënt te zwemmen, maar we hebben geen uitgebreide gegevens,” legt Nils Tack, een postdoctoraal onderzoeker in het Wilhelmus-lab van Brown University, uit.

Het team heeft Pleobot gebouwd en geprogrammeerd om de krill-bewegingen van de poten en de vorm van de aanhangsels precies na te bootsen, waardoor een nieuw, dieper inzicht wordt verkregen in de interacties tussen vloeistof en structuur op het niveau van de aanhangsels.

Pioniers van de toekomst van autonome onderwatervoertuigen

Volgens de onderzoekers maakt de metachronale zwemtechniek het krill mogelijk om opmerkelijk goed te maneuveren, met een opeenvolgende inzet van hun zwembenen in een golfachtige beweging. Dit kenmerk is iets dat ze denken dat kan worden geïntegreerd in toekomstige inzetbare zwerm-systemen. Monica Martinez Wilhelmus, assistent-professor in de Engineering aan Brown University, stelt: “Het begrijpen van de interacties tussen vloeistof en structuur op het niveau van de aanhangsels zal ons in staat stellen om geïnformeerde beslissingen te nemen over toekomstige ontwerpen.

Deze toekomstige robotzwermen kunnen de oceanen van de aarde in kaart brengen, uitgebreide zoek- en reddingsmissies uitvoeren of zelfs de oceanen van manen in ons zonnestelsel, zoals Europa, verkennen. Wilhelmus voegt eraan toe: “Krill-aggregaties zijn een uitstekend voorbeeld van zwermen in de natuur… Deze studie is het startpunt van ons langetermijnonderzoek naar de ontwikkeling van de volgende generatie autonome onderwater sensoren.”

De betekenis van het ontwerp van Pleobot

De constructie van Pleobot omvat een multidisciplinair team dat zich specialiseert in vloeimechanica, biologie en mechatronica. De componenten bestaan voornamelijk uit 3D-printbare onderdelen en het ontwerp is open-source. De onderzoekers hebben de open- en sluitbeweging van de biramale vinnen van krill nagemaakt, wat een primeur is voor een dergelijk platform. Het model is gebouwd op tien keer de schaal van krill, die meestal ongeveer de grootte van een paperclip hebben, waardoor een nauwkeurigere observatie en analyse mogelijk is.

“In de gepubliceerde studie onthullen we het antwoord op een van de vele onbekende mechanismen van krillzwemmen: hoe ze lift genereren om niet te zinken tijdens het zwemmen,” zegt Oliveira Santos. “We konden dat mechanisme onthullen door het gebruik van de robot,” voegt Yunxing Su, een postdoctoraal onderzoeker in het lab, eraan toe. Ze ontdekten dat een lage-drukbied op de achterkant van de zwembenen bijdraagt aan de verhoging van de liftkracht tijdens de krachtslag van de bewegende benen, een cruciale vinding voor het begrijpen en nabootsen van het efficiënte zwemmen van krill.

Het baanbrekende werk van het team van Brown University met Pleobot markeert een significante stap voorwaarts in de zoektocht naar de ontwikkeling van de volgende generatie autonome onderwater sensoren. De mogelijkheden lijken even uitgestrekt als de oceanen die deze robots bedoeld zijn om te verkennen.