Construyendo medusas biónicas para la exploración oceánica

Construyendo medusas biónicas para la exploración oceánica

Construyendo medusas biónicas para la exploración oceánica

Esta imagen compuesta de lapso de tiempo muestra una medusa robot biohíbrida diseñada para probar las habilidades de natación de la criatura modificada a través de un tanque de tres pisos. Crédito: Caltech

Las medusas no pueden hacer mucho más que nadar, picar, comer y reproducirse. Ni siquiera tienen cerebro. Sin embargo, a pesar de toda nuestra sofisticación, estas simples criaturas pueden viajar fácilmente a las profundidades de los océanos de una manera que los humanos no pueden.

Pero, ¿qué pasaría si los humanos pudiéramos dejar que las medusas exploraran los océanos en nuestro nombre e informaran lo que encontraron? Una nueva investigación realizada en Caltech tiene como objetivo hacer esto realidad, con investigadores creando medusas robóticas biohíbridas. Estas criaturas, que pueden considerarse cyborgs oceánicos, aumentan las medusas con dispositivos electrónicos que mejoran su natación y un «sombrero» protésico que puede transportar una pequeña carga útil y al mismo tiempo permite a las medusas nadar de una manera más aerodinámica.

Un trabajo publicado en una revista. Bioinspiración y Biomimética, Se llevó a cabo en el laboratorio de John Dabiri, profesor centenario de Aeronáutica e Ingeniería Mecánica, y se basó en su trabajo anterior sobre la cría de medusas. El objetivo de Dabiri con esta investigación es utilizar medusas como recolectores de datos robóticos, enviándolas a los océanos para recopilar información sobre la temperatura, la salinidad y los niveles de oxígeno, todos los cuales se ven afectados por el cambio climático de la Tierra.

«Todo el mundo sabe que el océano es fundamental para determinar nuestro clima actual y futuro en la Tierra y, sin embargo, todavía sabemos sorprendentemente poco sobre el océano, especialmente lejos de la superficie», dice Dabiri. «Nuestro objetivo es finalmente mover esa aguja adoptando un enfoque poco convencional inspirado en uno de los pocos animales que ya explora con éxito todo el océano».

A lo largo de su carrera, Dabiri ha buscado inspiración en el mundo natural, incluidas las medusas, para resolver desafíos de ingeniería. El trabajo comenzó con los esfuerzos iniciales del laboratorio de Dabiri para desarrollar un robot mecánico que nadara como una medusa, el medio más eficiente para viajar a través del agua de cualquier organismo.

Aunque su equipo de investigación logró crear un robot de este tipo, el robot no podía nadar tan eficientemente como una medusa real. En ese momento, Dabiri se preguntó: ¿por qué no trabajar simplemente con medusas?






Crédito: Instituto de Tecnología de California

«Las medusas son exploradoras oceánicas originales, llegan a los rincones más profundos y prosperan bien en aguas tropicales o polares», dice Dabiri. «Debido a que no tienen cerebro ni la capacidad de sentir el dolor, pudimos colaborar con expertos en bioética para desarrollar esta aplicación robótica biohíbrida de una manera éticamente sólida».

Anteriormente, el laboratorio de Dabiri había implantado a las medusas un tipo de marcapasos electrónico que controlaba la velocidad a la que nadaban. Al hacerlo, descubrieron que si hacían que las medusas nadaran más rápido que su velocidad normal en reposo, los animales eran aún más eficientes. Una medusa que nada tres veces más rápido de lo normal utiliza sólo el doble de energía.

Esta vez, el equipo de investigación fue un paso más allá y añadió a las medusas lo que llaman un cuerpo anterior. Estos cuerpos anteriores son como gorros que se asientan sobre la campana de una medusa (la parte del animal con forma de hongo). Los dispositivos fueron diseñados por el estudiante de posgrado y autor principal Simon Anuszczyk, cuyo objetivo era hacer que la medusa fuera más aerodinámica y proporcionar un lugar donde se pudieran transportar sensores y otros dispositivos electrónicos.

«Como la punta puntiaguda de una flecha, diseñamos cuerpos anteriores impresos en 3D para suavizar la campana del robot medusa, reducir la resistencia y aumentar el rendimiento de la natación», dice Anuszczyk. «Al mismo tiempo, experimentamos con la impresión 3D hasta que pudimos equilibrar cuidadosamente la flotabilidad y hacer que las medusas naden verticalmente».

Para probar las capacidades de natación mejoradas de las medusas, el laboratorio de Dabiri emprendió la construcción de un gran acuario vertical dentro del Laboratorio Guggenheim de Caltech. Dabiri explica que el tanque de tres pisos es más alto que ancho porque los investigadores quieren recopilar datos sobre las condiciones del océano debajo de la superficie.

«En el océano, el viaje de ida y vuelta desde la superficie hasta varios miles de metros lleva a las medusas unos días, por lo que queríamos desarrollar una instalación para estudiar ese proceso en el laboratorio», dice Dabiri. «Nuestro tanque vertical permite a los animales nadar contra una corriente vertical que fluye como una cinta de correr para nadadores. Esperamos que la escala única de la instalación (quizás la primera cinta de correr vertical de este tipo) sea útil para una variedad de otras investigaciones básicas y aplicadas. preguntas.»







Se compararon las velocidades de nado de medusas sumergidas a través de un tanque de agua de tres pisos con y sin extremidad anterior. (El tanque giró 90 grados en la imagen) Crédito: Caltech

Las pruebas de natación realizadas en un tanque muestran que las medusas equipadas con un marcapasos de natación y una combinación de antecuerpo pueden nadar 4,5 veces más rápido que todas las medusas naturales mientras llevan una carga útil. El costo total es de unos 20 dólares por medusa, dice Dabiri, lo que convierte a las medusas biohíbridas en una alternativa atractiva al alquiler de un barco de investigación que puede costar más de 50.000 dólares al día.

«Al utilizar la capacidad natural de las medusas para resistir el estrés extremo en las profundidades del océano y alimentarse a través de los alimentos, nuestro desafío de ingeniería se volvió más manejable», agrega Dabiri. «Todavía necesitamos diseñar el paquete de sensores para soportar la misma presión aplastante, pero ese dispositivo es más pequeño que una pelota de softball, lo que hace que el diseño sea más fácil que el de un vehículo totalmente sumergible que opere a esa profundidad.

«Estoy muy emocionado de ver lo que podemos aprender simplemente observando estas partes del océano por primera vez», añade.

Dabiri dice que el trabajo futuro podría centrarse en mejorar aún más las capacidades de las jaleas biónicas. En este momento, sólo se les puede hacer nadar rápido en línea recta, como las líneas verticales diseñadas para mediciones en las profundidades del océano. Pero más investigaciones podrían hacerlos orientables, de modo que puedan dirigirse tanto horizontal como verticalmente.

Más información:
Simon R Anusczyk et al., Aumento electromecánico de medusas vivas para exploración marina, Bioinspiración y biomimética (2024) DOI: 10.1088/1748-3190/ad277f

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California

referencia: Construyendo medusas biónicas para la exploración oceánica (28 de febrero de 2024) Consultado el 1 de marzo de 2024 en https://phys.org/news/2024-02-bionic-jellyfish-ocean-exploration.html

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