Revolutionerar havsutforskning: Brown Universitys Pleobot låser upp havshemligheter

Tänk dig en sofistikerad nätverk av sammanlänkade, självstyrda robotar. De opererar i samförstånd, som en intrikat akvatisk balett, navigerar i de mörka djupen av havet, genomför detaljerade vetenskapliga undersökningar och högrisksearch- och räddningsuppdrag. Denna framtida vision är på väg att bli verklighet, tack vare forskare vid Brown University, som banar väg för utvecklingen av en ny typ av undervattensnavigeringsrobotar. En sådan robotplattform, kallad Pleobot, är stjärnan i deras nyligen publicerade studie i Scientific Reports.

Krill, de små kräftdjuren som utgör en viktig del av marina ekosystem, är extraordinära simmare med exceptionella förmågor i manövrerbarhet, acceleration och vändning. Deras anmärkningsvärda idrottsliga förmågor har inspirerat forskarna vid Brown University att utveckla Pleobot – en robotplattform som består av tre ledade sektioner som imiterar den metakronala simstilen som är karakteristisk för krill.

“Pleobot ger oss en oöverträffad upplösning och kontroll för att undersöka alla aspekter av krill-liknande simning som hjälper den att utmärka sig i manövrering under vatten”, säger Sara Oliveira Santos, en doktorand vid Brown’s School of Engineering och huvudförfattare till studien.

Forskningsgruppen syftar till att använda Pleobot som ett omfattande verktyg för att förstå krill-liknande simning och utnyttja potentialen i 100 miljoner års evolution för att konstruera bättre robotar för havsnavigering.

Mekanik av Pleobot: Efterliknar krill-simningens underverk

Pleobot-projektet är ett internationellt samarbete mellan Brown University och Universidad Nacional Autónoma de México. Tillsammans avkodar de mysterierna kring hur krill, kända som metakronala simmare, navigerar komplexa marina miljöer och utför kolossala vertikala migrationer på över 1 000 meter två gånger om dagen – motsvarande att stapla tre Empire State-byggnader.

“Vi har ögonblicksbilder av de mekanismer de använder för att simma effektivt, men vi har inte omfattande data”, förklarar Nils Tack, en postdoktor vid Wilhelmus-laboratoriet vid Brown University.

Teamet har byggt och programmerat Pleobot för att exakt efterlikna krillens benrörelser och ändra formen på extremiteterna, vilket ger en ny, mer detaljerad förståelse av vätske-struktur-interaktioner på extremitetsnivå.

Banar väg för framtiden för autonoma undervattensfordon

Enligt forskarna möjliggör den metakronala simtekniken att krill manövrerar anmärkningsvärt väl, visar en sekventiell utplacering av deras simben i en vågliknande rörelse. Denna egenskap är något de tror kan införlivas i framtida utplaceringssystem. Monica Martinez Wilhelmus, biträdande professor i ingenjörsvetenskap vid Brown University, hävdar: “Att kunna förstå vätske-struktur-interaktioner på extremitetsnivå kommer att tillåta oss att fatta informerade beslut om framtida design.”

Dessa framtida robot-swarmer kunde karta jordens hav, delta i omfattande sök- och räddningsuppdrag eller till och med utforska hav på månar i vårt solsystem, som Europa. Wilhelmus tillägger: “Krill-ansamlingar är ett utmärkt exempel på svärmar i naturen… Denna studie är startpunkten för vår långsiktiga forskningsmål att utveckla nästa generation av autonoma undervattens-sensorkärror.”

Betydelsen av Pleobots design

Pleobots konstruktion involverar ett multidisciplinärt team som specialiserar sig på fluidmekanik, biologi och mekatronik. Dess komponenter består främst av 3D-skrivbara delar, och designen är öppen källkod. Forskarna har replikerat öppnings- och stängningsrörelsen av krillens biramösa fenor, vilket anses vara en första gång för en sådan plattform. Modellen är konstruerad i tio gånger storleken på krill, som vanligtvis är ungefär storleken på en pappersklipp, vilket möjliggör mer exakt observation och analys.

“I den publicerade studien avslöjar vi svaret på en av de många okända mekanismerna för krillsimning: hur de genererar lyft för att inte sjunka medan de simmar framåt”, säger Oliveira Santos. “Vi kunde avslöja den mekanismen med hjälp av roboten”, tillägger Yunxing Su, en postdoktor vid laboratoriet. De upptäckte att ett lågtrycksområde på baksidan av simben bidrar till lyftkraftsförbättring under kraftslaget av de rörliga benen, en avgörande upptäckt för att förstå och replikera krills effektiva simning.

Det banbrytande arbetet med Pleobot av Brown University-teamet markerar ett betydande steg framåt i jakten på att utveckla nästa generation av autonoma undervattens-sensorkärror. Möjligheterna verkar lika stora som haven som dessa robotar är avsedda att utforska.