Cách mạng hóa việc khám phá dưới nước: Pleobot của Đại học Brown mở khóa bí mật của đại dương

Hãy tưởng tượng một mạng lưới phức tạp của các robot tự động, hoạt động như một vũ điệu dưới nước tinh vi, điều hướng trong bóng tối của đại dương, thực hiện các cuộc khảo sát khoa học chi tiết và các nhiệm vụ tìm kiếm và cứu hộ quan trọng. Tầm nhìn tương lai này đang dần trở thành hiện thực, nhờ vào các nhà nghiên cứu tại Đại học Brown, những người đang tiên phong trong việc phát triển một loại robot điều hướng dưới nước mới. Một nền tảng robot như vậy, được gọi là Pleobot, là ngôi sao của một nghiên cứu gần đây được công bố trên Scientific Reports.

Krill, những loài giáp xác nhỏ đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái biển, là những vận động viên bơi lội xuất sắc với khả năng cơ động, tăng tốc và quay đầu vượt trội. Khả năng vận động tuyệt vời của chúng đã truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu tại Đại học Brown phát triển Pleobot – một nền tảng robot gồm ba phần liên kết, mô phỏng phong cách bơi metachronal đặc trưng của krill.

“Pleobot cho phép chúng tôi có độ phân giải và kiểm soát không thể sánh được để điều tra tất cả các khía cạnh của việc bơi như krill giúp nó vượt trội trong việc điều hướng dưới nước,” nói Sara Oliveira Santos, một ứng viên tiến sĩ tại Trường Kỹ thuật của Brown và là tác giả chính của nghiên cứu.

Đội ngũ nghiên cứu nhằm sử dụng Pleobot như một công cụ toàn diện để hiểu việc bơi như krill và tận dụng tiềm năng của 100 triệu năm tiến hóa để thiết kế ra những robot tốt hơn cho việc điều hướng đại dương.

Cơ chế của Pleobot: Nhái lại những điều kỳ diệu của việc bơi của krill

Dự án Pleobot là một sự hợp tác quốc tế giữa Đại học Brown và Universidad Nacional Autónoma de México. Cùng nhau, họ đang giải mã những bí ẩn về cách krill, được biết đến như những vận động viên bơi metachronal, điều hướng trong môi trường biển phức tạp và thực hiện những cuộc di cư thẳng đứng khổng lồ hơn 1.000 mét hai lần mỗi ngày – tương đương với việc xếp chồng ba tòa nhà Empire State.

“Chúng tôi có những hình ảnh về các cơ chế chúng sử dụng để bơi hiệu quả, nhưng chúng tôi không có dữ liệu toàn diện,” giải thích Nils Tack, một nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Wilhelmus tại Đại học Brown.

Đội ngũ đã xây dựng và lập trình Pleobot để mô phỏng chính xác các chuyển động của chân krill và thay đổi hình dạng của các phụ lục, cung cấp một sự hiểu biết mới, sâu sắc hơn về tương tác giữa chất lỏng và cấu trúc ở mức độ phụ lục.

Khơi dậy tương lai của các phương tiện dưới nước tự động

Theo các nhà nghiên cứu, kỹ thuật bơi metachronal cho phép krill điều hướng một cách đáng kinh ngạc, thể hiện sự triển khai tuần tự của chân bơi của chúng trong một chuyển động sóng. Đặc điểm này là điều mà họ tin có thể được tích hợp vào các hệ thống triển khai swarm trong tương lai. Monica Martinez Wilhelmus, Phó giáo sư Kỹ thuật tại Đại học Brown, khẳng định, “Việc hiểu được tương tác giữa chất lỏng và cấu trúc ở mức độ phụ lục sẽ cho phép chúng tôi đưa ra những quyết định sáng suốt về thiết kế trong tương lai.

Những đàn robot swarm trong tương lai có thể lập bản đồ đại dương của Trái đất, tham gia vào các nhiệm vụ tìm kiếm và cứu hộ rộng lớn, hoặc thậm chí khám phá đại dương của các mặt trăng trong hệ thống Mặt trời của chúng ta, như Europa. Wilhelmus thêm, “Các tập hợp krill là một ví dụ tuyệt vời về các đàn trong tự nhiên… Nghiên cứu này là điểm khởi đầu của mục tiêu nghiên cứu dài hạn của chúng tôi trong việc phát triển thế hệ phương tiện cảm biến dưới nước tự động tiếp theo.”

Ý nghĩa của thiết kế Pleobot

Thiết kế của Pleobot liên quan đến một đội ngũ đa ngành chuyên về cơ học chất lỏng, sinh học và cơ điện tử. Các thành phần chính của nó bao gồm các bộ phận có thể in 3D, và thiết kế là mã nguồn mở. Các nhà nghiên cứu đã tái tạo chuyển động mở và đóng của vây biramous của krill, được cho là lần đầu tiên đối với một nền tảng như vậy. Mô hình được xây dựng với kích thước gấp 10 lần so với krill, thường có kích thước khoảng một kẹp giấy, cho phép quan sát và phân tích chính xác hơn.

“Trong nghiên cứu được công bố, chúng tôi tiết lộ câu trả lời cho một trong những cơ chế không rõ ràng của việc bơi của krill: làm thế nào chúng tạo ra lực nâng để không chìm khi bơi về phía trước,” nói Oliveira Santos. “Chúng tôi đã có thể khám phá ra cơ chế đó bằng cách sử dụng robot,” thêm Yunxing Su, một nghiên cứu viên sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm. Họ phát hiện ra rằng một vùng áp suất thấp ở phía sau của chân bơi góp phần tăng cường lực nâng trong quá trình chuyển động của chân, một phát hiện quan trọng để hiểu và tái tạo việc bơi hiệu quả của krill.

Đội ngũ của Đại học Brown đã tiên phong trong công việc với Pleobot, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc phát triển thế hệ phương tiện cảm biến dưới nước tự động tiếp theo. Những khả năng dường như rộng lớn như đại dương mà những robot này được thiết kế để khám phá.