Acest robot moale rezistă la presiuni zdrobitoare la cele mai mari adâncimi ale oceanului

Inspirați de un pește ciudat care poate rezista presiunilor pedepsitoare din cele mai adânci zone ale oceanului, oamenii de știință au conceput un robot autonom moale, capabil să-și mențină înotătoarele batând – chiar și în cea mai adâncă parte a șanțului Marianei.

Echipa, condusă de roboticianul Guorui Li de la Universitatea Zhejiang din Hangzhou, China, a testat cu succes capacitatea robotului de a înota la adâncimi cuprinse între 70 de metri și aproape 11.000 de metri, anunță 4 martie în Natură.

Challenger Deep este cea mai de jos, cea mai adâncă parte a șanțului Marianei. Atinge fundul la aproximativ 10.900 de metri sub nivelul mării (SN: 12/11/12). Presiunea din toată acea apă de deasupra este de aproximativ o mie de ori presiunea atmosferică la nivelul mării, traducându-se la aproximativ 103 milioane de pascali (sau 15.000 de lire sterline pe inch pătrat). „Este vorba despre echivalentul unui elefant care stă în vârful degetului mare”, spune fiziologul și ecologistul de adâncime Mackenzie Gerringer de la Universitatea de Stat din New York la Geneseo, care nu a fost implicat în noul studiu.

Presiunile uriașe la aceste adâncimi hadale – cea mai adâncă zonă oceanică, între 6.000 și 11.000 de metri – reprezintă o provocare grea de inginerie, spune Gerringer. Roboții tradiționali de adâncime sau submersibile cu echipaj sunt puternic întăriți cu cadre metalice rigide pentru a nu se mototoli – dar aceste nave sunt voluminoase și greoaie, iar riscul de defecțiune structurală rămâne ridicat.

Pentru a proiecta roboți care pot manevra cu grație prin ape mai puțin adânci, oamenii de știință s-au uitat anterior la creaturi oceanice cu corp moale, cum ar fi caracatița, pentru inspirație (SN: 9/17/14). După cum se întâmplă, există și o astfel de muză de adâncime: Pseudoliparis swireisau peștele melc Mariana hadal, un pește în cea mai mare parte moale, translucid, care trăiește până la 8.000 de metri adâncime în șanțul Marianei.

un pește melc de adâncime
În 2018, cercetătorii au descris trei specii nou descoperite de pești melc de adâncime (una prezentată) găsite în șanțul Atacama din Oceanul Pacific, care trăiesc la adâncimi de până la aproximativ 7.500 de metri. De asemenea, găsiți în șanțul Marianelor, astfel de pești sunt bine adaptați pentru a trăi în medii de mare presiune, de adâncime, cu cranii doar parțial întărite și corpuri moi, aerodinamice, eficiente din punct de vedere energetic.Universitatea Newcastle

Gerringer, unul dintre cercetătorii care a descris pentru prima dată peștele melc de adâncime în 2014, a construit o versiune de robot moale imprimată 3-D a acestuia câțiva ani mai târziu pentru a înțelege mai bine cum înoată. Robotul ei conținea o versiune sintetizată a substanței apoase în interiorul corpului peștelui care, cel mai probabil, adaugă plutire și îl ajută să înoate mai eficient (SN: 1/3/18).

Dar conceperea unui robot care poate înota sub presiune extremă pentru a investiga mediul de adâncime este o altă chestiune. Roboții de explorare autonomi au nevoie de electronice nu numai pentru a-și alimenta mișcarea, ci și pentru a îndeplini diverse sarcini, fie că testează chimia apei, aprinde și filmează locuitorii șanțurilor oceanice adânci, fie colectarea de mostre pentru a le aduce înapoi la suprafață. Sub presiunea apei, aceste electronice se pot zdrobi unele pe altele.

Așa că Li și colegii săi au decis să împrumute una dintre adaptările peștelui melc la viața de înaltă presiune: craniul său nu este complet fuzionat cu osul întărit. Acest pic suplimentar de maleabilitate permite ca presiunea asupra craniului să se egaleze. Într-o ordine similară, oamenii de știință au decis să distribuie componentele electronice – „creierul” – peștilor lor robot mai departe decât ar face-o în mod normal, apoi să-i învelească în silicon moale pentru a-i împiedica să se atingă.

robot și melc unul lângă altul
Designul noului robot moale (stânga) a fost inspirat de peștele melc de adâncime (ilustrat, dreapta), care este adaptat să trăiască în mediile de foarte mare presiune din cele mai adânci părți ale oceanului. Craniul peștelui melc este incomplet osificat, sau întărit, ceea ce permite egalizarea presiunilor externe și interne. Răspândirea componentelor electronice sensibile ale robotului și acoperirea lor în silicon împiedică piesele să se strângă împreună. Înotatoarele roboți care bateau sunt inspirate de aripioarele pectorale subțiri ale peștelui (deși peștele adevărat nu își folosește aripioarele pentru a înota).Li et al/ Natură 2021

Echipa a proiectat, de asemenea, un corp moale care seamănă ușor cu peștele melc, cu două aripioare pe care robotul le poate folosi pentru a se propulsa prin apă. (Gerringer observă că melcul propriu-zis nu își bate aripioarele, ci își zvâcnește corpul ca un mormoloc.) Pentru a bate aripioarele, robotul este echipat cu baterii care alimentează mușchii artificiali: electrozi prinși între două membrane care se deformează ca răspuns la sarcină electrică.

Echipa a testat robotul în mai multe medii: la 70 de metri adâncime într-un lac; la aproximativ 3.200 de metri adâncime în Marea Chinei de Sud; și în cele din urmă, chiar pe fundul oceanului. Robotului i s-a permis să înoate liber în primele două probe. Cu toate acestea, pentru proba Challenger Deep, cercetătorii au păstrat o strânsă strânsă, folosind brațul extensibil al unui aterizare de adâncime pentru a ține robotul în timp ce își batea aripioarele.

Această mașină „împinge limitele a ceea ce se poate realiza” cu roboți moi inspirați din punct de vedere biologic, scriu roboticiști Cecilia Laschi de la Universitatea Națională din Singapore și Marcello Calisti de la Universitatea Lincoln din Anglia. Perechea are un comentariu asupra cercetării în același număr al Natură. Acestea fiind spuse, mașina este încă departe de implementare, notează ei. Înoată mai încet decât alți roboți subacvatici și nu are încă puterea de a rezista curenților puternici subacvatici. Dar „pune bazele” viitorilor astfel de roboți care să ajute să răspundă la întrebări persistente despre aceste părți misterioase ale oceanului, scriu ei.

Cercetătorii au condus cu succes un robot autonom moale prin mai multe teste pe teren la diferite adâncimi în ocean. La 3.224 de metri adâncime în Marea Chinei de Sud, testele au demonstrat că robotul poate înota autonom (test de înot liber). Echipa a testat, de asemenea, capacitatea robotului de a se mișca chiar și sub cele mai extreme presiuni din ocean. Brațul extensibil al unui aterizare de adâncime a ținut robotul în timp ce își batea din aripi la o adâncime de 10.900 de metri în Challenger Deep, partea cea mai de jos a șanțului Mariana (test de presiune extremă). Aceste teste sugerează că astfel de roboți ar putea, în viitor, să poată ajuta la explorarea autonomă a celor mai adânci părți ale oceanului, spun cercetătorii.

Se știe că șanțurile de adâncime sunt pline de viață microbiană, care se hrănesc fericit cu bonanza de material organic – de la alge la carcase de animale – care își găsește drumul spre fundul mării. Această activitate microbiană sugerează că șanțurile pot juca un rol semnificativ în ciclul carbonului Pământului, care este, la rândul său, legat de reglarea climei de către planetă.

Descoperirea microplasticului în Challenger Deep este, de asemenea, o dovadă incontestabilă că nici măcar fundul oceanului nu este chiar atât de departe, spune Gerringer (SN: 20/11/20). „Afectăm aceste sisteme de apă adâncă chiar înainte să aflăm ce este acolo jos. Avem responsabilitatea de a ajuta la conectarea acestor sisteme aparent de altă lume, care fac cu adevărat parte din planeta noastră.”