Meduse bioniche per esplorare gli oceani (VIDEO)
20 dollari per una meduse bioibrida, un'alternativa interessante al noleggio di una nave da ricerca che può costare più di 50.000 dollari al giorno
[5 Marzo 2024]
Le meduse nuotano, pungono, mangiano e si riproducono e per farlo non hanno nemmeno bisogno del cervello. Eppure, queste semplici creature possono spostarsi facilmente nelle profondità degli oceani come i sofisticati ed evoluti esseri umani non possono fare.
Lo studio "Electromechanical enhancement of live jellyfish for ocean exploration", pubblicato su Bioinspiration & Biomimetics da Simon Anuszczyk e John Dabiri del California Institute of Technology (Caltech), si è chiesto: cosa accadrebbe se gli esseri umani potessero chiedere alle meduse di esplorare gli oceani per nostro conto, riportando ciò che trovano? Il risultato è stata la possibile creazione di quelle che i ricercatori chiamano meduse robotiche bioibride e spiegano che «Queste creature, che possono essere pensate come cyborg oceanici, potenziano le meduse con l'elettronica che migliora il loro nuoto e un "cappello" protesico che può trasportare un piccolo carico utile e allo stesso tempo fa nuotare le meduse in modo più agile».
Lo studio è stato condotto nel laboratorio di Dabiri, che insegna aeronautica e ingegneria meccanica al Caltech, e si basa sul suo precedente lavoro sul potenziamento delle meduse, con l'obiettivo di utilizzare le meduse come raccoglitori robotici oceanici di dati, su temperatura, salinità e livelli di ossigeno, che sono tutti influenzati dai cambiamenti climatici.
Dabiri ricorda che «E' risaputo che l'oceano è fondamentale per determinare il clima presente e futuro sulla terra, eppure sappiamo ancora sorprendentemente poco dell'oceano, soprattutto lontano dalla superficie. Il nostro obiettivo è finalmente spostare quella lancetta adottando un approccio non convenzionale ispirato da uno dei pochi animali che già esplora con successo l'intero oceano».
gli studi di Dabiri guardano al mondo naturale, meduse comprese, per cercare soluzioni alle sfide ingegneristiche. Un lavoro è iniziato con i primi tentativi di sviluppare un robot meccanico che nuotasse come le meduse, che hanno il metodo più efficiente per spostarsi attraverso l'acqua di qualsiasi creatura vivente. Sebbene il suo team di ricerca sia riuscito a creare un robot simile, non è mai stato in grado di nuotare in modo efficiente come una vera medusa. A quel punto, Dabiri d si è chiesto perché non lavorare semplicemente con le meduse stesse? E spiega ancora: «Le meduse sono le prime esploratrici dell'oceano, raggiungono i suoi angoli più profondi e prosperano altrettanto bene nelle acque tropicali o polari. Dato che non hanno un cervello o la capacità di percepire il dolore, siamo stati in grado di collaborare con gli esperti di bioetica per sviluppare questa applicazione robotica bioibrida secondo principi etici».
In precedenza, il laboratorio di Dabiri aveva impiantato nelle meduse una sorta di pacemaker elettronico che controlla la velocità con cui nuotano e i ricercatori hanno scoperto che se facevano nuotare le meduse più velocemente del ritmo lento che mantengono normalmente, gli animali diventavano ancora più efficienti e che «Una medusa che nuota tre volte più velocemente del normale consuma solo il doppio dell'energia».
Con il nuovo studio, il team di ricerca è andato oltre, aggiungendo alle meduse un "corpo anteriore", simile all'ombrello della medusa, progettato da Anuszczyk, che voleva rendere la medusa più agile, fornendole allo stesso tempo un posto dove trasportare sensori e altri dispositivi elettronici.
Anuszczyk soiega a sua volta: «Abbiamo progettato la parte anteriore stampata in 3D Proprio come l'estremità appuntita di una freccia, per snellire l'ombrello del robot medusa, ridurre la resistenza e aumentare le prestazioni di nuoto. Allo stesso tempo, abbiamo sperimentato la stampa 3D finché non siamo stati in grado di bilanciare attentamente la galleggiabilità e far sì che la medusa nuotasse verticalmente».
Per testare le capacità natatorie potenziate delle meduse, il laboratorio di Dabiri ha costruito un enorme acquario verticale all'interno del Laboratorio Guggenheim del Caltech. Un serbatoio alto 3 piani, anziché largo, perché i ricercatori vogliono raccogliere dati sulle condizioni oceaniche molto al di sotto della superficie. Dabiri evidenzia che «Nell'oceano, il viaggio di andata e ritorno dalla superficie fino a diverse migliaia di metri richiede alcuni giorni per le meduse, quindi volevamo sviluppare una struttura per studiare quel processo in laboratorio. Il nostro serbatoio verticale consente agli animali di nuotare contro una corrente verticale che scorre, come un tapis roulant per i nuotatori. Ci aspettiamo che la scala unica della struttura – probabilmente il primo tapis roulant verticale di 'acqua del suo genere – sia utile per una varietà di altre attività di base e richieste di ricerca applicata».
I test di nuoto condotti nell'acquario verticale di mostrano che «Una medusa dotata di una combinazione di pacemaker e corpo anteriore può nuotare fino a 4,5 volte più velocemente di una medusa naturale mentre trasporta un carico utile».
Dabiri conclude: «Il costo totale è di circa 20 dollari per medusa, il che rende le meduse bioibride un'alternativa interessante al noleggio di una nave da ricerca la cui gestione può costare più di 50.000 dollari al giorno. Sfruttando la capacità naturale delle meduse di resistere a pressioni estreme nelle profondità dell'oceano e la loro capacità di alimentarsi nutrendosi, la nostra sfida ingegneristica è molto più gestibile. Dobbiamo ancora progettare il pacchetto di sensori per resistere alle stesse pressioni di schiacciamento, ma quel dispositivo è più piccolo di una palla da softball, rendendolo molto più semplice da progettare rispetto a un veicolo sottomarino completo che opera a quelle profondità. Sono davvero entusiasta di vedere cosa possiamo imparare semplicemente osservando queste parti dell'oceano per la prima volta. Il lavoro futuro potrebbe concentrarsi sull'ulteriore miglioramento delle capacità delle meduse bioniche. Al momento, si possono far nuotare più velocemente solo in linea retta, come i percorsi verticali progettati per la misurazione delle profondità oceaniche. Ma ulteriori ricerche potrebbero anche renderle orientabili, in modo che possano essere dirette sia orizzontalmente che verticalmente».