Медузы мало что умеют, кроме как плавать, жалить, есть и размножаться. У них даже мозгов нет. Тем не менее, эти простые существа могут легко путешествовать в глубины океанов, чего не могут сделать люди, несмотря на всю нашу изощренность.
Но что, если бы люди могли заставить медуз исследовать океаны от нашего имени, сообщая о том, что они находят? Новое исследование, проведенное в Калифорнийском технологическом институте, направлено на то, чтобы сделать это реальностью посредством создания того, что исследователи называют биогибридными роботизированными медузами. Эти существа, которых можно рассматривать как океанских киборгов, дополняют медуз электроникой, улучшающей их плавание, и протезной «шляпой», которая может нести небольшую полезную нагрузку, а также заставляет медуз плавать более обтекаемо.
Работа, опубликованная в журнале Bioinspiration & Biomimetics, была проведена в лаборатории Джона Дабири, столетнего профессора аэронавтики и машиностроения, и основывается на его предыдущей работе по увеличению медуз. Цель Дабири в этом исследовании — использовать медуз в качестве роботов-сборщиков данных, отправляя их в океаны для сбора информации о температуре, солености и уровне кислорода, на все из которых влияет меняющийся климат Земли.
«Хорошо известно, что океан имеет решающее значение для определения нашего нынешнего и будущего климата на суше, и тем не менее, мы до сих пор знаем на удивление мало об океане, особенно вдали от поверхности», — говорит Дабири. «Наша цель — наконец сдвинуть эту иглу с места, применив нетрадиционный подход, вдохновленный одним из немногих животных, которые уже успешно исследуют весь океан».
На протяжении всей своей карьеры Дабири обращался к миру природы, в том числе к медузам, в поисках вдохновения для решения инженерных задач. Эта работа началась с первых попыток лаборатории Дабири разработать механического робота, который плавал бы, как медуза, и обладал бы наиболее эффективным методом передвижения по воде среди всех живых существ. Хотя его исследовательской группе удалось создать такого робота, этот робот никогда не умел плавать так же эффективно, как настоящая медуза. В этот момент Дабири спросил себя, почему бы просто не поработать с медузами самостоятельно?
«Медузы — первые исследователи океана, они достигают самых глубоких уголков и прекрасно себя чувствуют как в тропических, так и в полярных водах», — говорит Дабири. «Поскольку у них нет мозга или способности чувствовать боль, мы смогли сотрудничать со специалистами по биоэтике для разработки этого биогибридного роботизированного приложения с соблюдением этических принципов».
Ранее в лаборатории Дабири медузам имплантировали своего рода электронный кардиостимулятор, который контролирует скорость, с которой они плавают. При этом они обнаружили, что если заставить медуз плавать быстрее, чем обычно, животные станут еще более эффективными. Медуза, плавающая в три раза быстрее, чем обычно, использует лишь вдвое больше энергии.
На этот раз исследовательская группа пошла еще дальше, добавив к медузам то, что они называют носовой частью. Эти передние тела похожи на шляпы, которые сидят на колоколе медузы (грибовидная часть животного). Устройства были разработаны аспирантом и ведущим автором Саймоном Анущиком, который стремился сделать медузу более обтекаемой, а также предоставить место, где можно будет носить датчики и другую электронику.
«Подобно заостренному концу стрелы, мы разработали напечатанную на 3D-принтере переднюю часть корпуса, чтобы упростить раструб робота-медузы, уменьшить сопротивление и улучшить плавательные качества», — говорит Анущик. «В то же время мы экспериментировали с 3D-печатью, пока не смогли тщательно сбалансировать плавучесть и заставить медузу плавать вертикально».
Испытания по плаванию, проведенные в резервуаре, показывают, что медуза, оснащенная комбинацией плавательного кардиостимулятора и передней части тела, может плавать в 4,5 раза быстрее, чем полностью натуральная медуза, неся при этом полезную нагрузку. Общая стоимость составляет около 20 долларов за медузу, говорит Дабири, что делает биогибридные медузы привлекательной альтернативой аренде исследовательского судна, эксплуатация которого может стоить более 50 000 долларов в день.
«Благодаря использованию естественной способности медуз выдерживать экстремальное давление в глубинах океана наша инженерная задача становится гораздо более выполнимой», — добавляет Дабири. «Нам все еще необходимо спроектировать комплект датчиков, способный выдерживать такое же разрушающее давление, но это устройство меньше мяча для софтбола, поэтому его гораздо проще спроектировать, чем полноценную подводную лодку, работающую на таких глубинах.
«Я очень рад увидеть, чему мы можем научиться, просто впервые наблюдая за этими частями океана», — добавляет он.
Дабири говорит, что будущая работа может быть сосредоточена на дальнейшем улучшении способностей бионических желе. На данный момент их можно заставить плыть быстрее только по прямой, например, по вертикальным траекториям, предназначенным для измерения глубин океана. Но дальнейшие исследования могут также сделать их управляемыми, то есть их можно будет направлять как по горизонтали, так и по вертикали.
ScienceDaily
