Immagina una rete di robot interconnessi e autonomi che lavorano insieme in una danza coordinata per navigare nell’oscurità dell’oceano circostante mentre svolgono indagini scientifiche o missioni di ricerca e salvataggio.
In un nuovo studio pubblicato su Rapporti scientifici, un team guidato da ricercatori della Brown University ha presentato importanti primi passi nella costruzione di questi tipi di robot di navigazione subacquea. Nello studio, i ricercatori delineano il progetto di una piccola piattaforma robotica chiamata Pleobot che può servire sia come strumento per aiutare i ricercatori a comprendere il metodo di nuoto simile al krill sia come base per la costruzione di piccoli robot subacquei altamente manovrabili.
Pleobot è attualmente composto da tre sezioni articolate che replicano il nuoto simile al krill chiamato nuoto metacronale. Per progettare Pleobot, i ricercatori si sono ispirati ai krill, che sono straordinari atleti acquatici e mostrano maestria nel nuoto, nell’accelerazione, nella frenata e nelle virate. Dimostrano nello studio le capacità di Pleobot di emulare le gambe del krill che nuota e forniscono nuove intuizioni sulle interazioni fluido-struttura necessarie per sostenere il costante nuoto in avanti nel krill.
Secondo lo studio, Pleobot ha il potenziale per consentire alla comunità scientifica di capire come sfruttare 100 milioni di anni di evoluzione per progettare robot migliori per la navigazione oceanica.
“Gli esperimenti con gli organismi sono impegnativi e imprevedibili”, ha affermato Sara Oliveira Santos, Ph.D. candidato alla Brown’s School of Engineering e autore principale del nuovo studio. “Pleobot ci consente una risoluzione e un controllo senza precedenti per indagare su tutti gli aspetti del nuoto simile al krill che lo aiutano a eccellere nelle manovre sott’acqua. Il nostro obiettivo era progettare uno strumento completo per comprendere il nuoto simile al krill, il che significava includere tutti i dettagli che rendono il krill così atletici nuotatori.”
Lo sforzo è una collaborazione tra i ricercatori Brown nel laboratorio dell’assistente professore di ingegneria Monica Martinez Wilhelmus e gli scienziati nel laboratorio di Francisco Cuenca-Jimenez presso l’Universidad Nacional Autónoma de México.
Uno degli obiettivi principali del progetto è capire come i nuotatori metacronali, come il krill, riescano a funzionare in ambienti marini complessi ed eseguire massicce migrazioni verticali di oltre 1.000 metri, l’equivalente di impilare tre Empire State Building, due volte al giorno.
“Abbiamo istantanee dei meccanismi che usano per nuotare in modo efficiente, ma non disponiamo di dati completi”, ha affermato Nils Tack, un associato post-dottorato del laboratorio Wilhelmus. “Abbiamo costruito e programmato un robot che emula con precisione i movimenti essenziali delle gambe per produrre movimenti specifici e modificare la forma delle appendici. Questo ci consente di studiare diverse configurazioni per effettuare misurazioni e fare confronti altrimenti non ottenibili con animali vivi”.
La tecnica di nuoto metacronale può portare a una notevole manovrabilità che i krill mostrano spesso attraverso il dispiegamento sequenziale delle loro gambe che nuotano in un movimento ondulatorio avanti e indietro. I ricercatori ritengono che in futuro i sistemi di sciami dispiegabili potranno essere utilizzati per mappare gli oceani della Terra, partecipare a missioni di ricerca e recupero coprendo vaste aree o essere inviati su lune del sistema solare, come Europa, per esplorare i loro oceani. .
“Le aggregazioni di krill sono un eccellente esempio di sciami in natura: sono composte da organismi con un corpo aerodinamico, che viaggiano fino a un chilometro in ogni direzione, con un’eccellente manovrabilità subacquea”, ha detto Wilhelmus. “Questo studio è il punto di partenza del nostro obiettivo di ricerca a lungo termine di sviluppare la prossima generazione di veicoli autonomi di rilevamento subacqueo. Essere in grado di comprendere le interazioni fluido-struttura a livello di appendice ci consentirà di prendere decisioni informate sui progetti futuri”.
I ricercatori possono controllare attivamente i due segmenti delle gambe e avere il controllo passivo delle pinne biramose di Pleobot. Si ritiene che questa sia la prima piattaforma che replica il movimento di apertura e chiusura di queste pinne. La costruzione della piattaforma robotica è stata un progetto pluriennale, che ha coinvolto un team multidisciplinare di meccanica dei fluidi, biologia e meccatronica.
I ricercatori hanno costruito il loro modello a 10 volte la scala del krill, che di solito ha le dimensioni di una graffetta. La piattaforma è composta principalmente da parti stampabili in 3D e il design è ad accesso aperto, consentendo ad altri team di utilizzare Pleobot per continuare a rispondere a domande sul nuoto metacronale non solo per il krill ma anche per altri organismi come le aragoste.
Nello studio pubblicato, il gruppo rivela la risposta a uno dei tanti meccanismi sconosciuti del krill che nuota: come generano portanza per non affondare mentre nuotano in avanti. Se i krill non nuotano costantemente, inizieranno ad affondare perché sono un po’ più pesanti dell’acqua. Per evitare ciò, devono ancora creare un po’ di portanza anche mentre nuotano in avanti per poter rimanere alla stessa altezza nell’acqua, ha detto Oliveira Santos.
“Siamo stati in grado di scoprire quel meccanismo utilizzando il robot”, ha detto Yunxing Su, un associato post-dottorato nel laboratorio. “Abbiamo identificato un effetto importante di una regione di bassa pressione nella parte posteriore delle gambe che nuotano che contribuisce al miglioramento della forza di sollevamento durante la corsa di potenza delle gambe in movimento”.
Nei prossimi anni, i ricercatori sperano di sfruttare questo successo iniziale e sviluppare e testare ulteriormente i progetti presentati nell’articolo. Il team sta attualmente lavorando per integrare le caratteristiche morfologiche dei gamberetti nella piattaforma robotica, come la flessibilità e le setole attorno alle appendici.
Il lavoro è stato parzialmente finanziato da una sovvenzione per i semi EPSCoR della NASA nel Rhode Island.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
