Le meduse non possono fare molto oltre a nuotare, pungere, mangiare e riprodursi. Non hanno nemmeno il cervello. Eppure, queste semplici creature possono facilmente viaggiare nelle profondità degli oceani in un modo che gli esseri umani, nonostante tutta la nostra sofisticazione, non possono.
Ma cosa accadrebbe se gli esseri umani potessero chiedere alle meduse di esplorare gli oceani per nostro conto, riportando ciò che trovano? Una nuova ricerca condotta al Caltech mira a trasformare questo obiettivo in realtà attraverso la creazione di quelle che i ricercatori chiamano meduse robotiche bioibride. 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 snello.
Il lavoro, pubblicato sulla rivista Bioispirazione e biomimetica, è stato condotto nel laboratorio di John Dabiri (MS ’03, PhD ’05), professore centenario di ingegneria aeronautica e meccanica, e si basa sul suo lavoro precedente sul potenziamento delle meduse. L’obiettivo di Dabiri con questa ricerca è utilizzare le meduse come raccoglitori robotici di dati, inviandole negli oceani per raccogliere informazioni su temperatura, salinità e livelli di ossigeno, che sono tutti influenzati dai cambiamenti climatici della Terra.
“È 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”, afferma Dabiri. “Il nostro obiettivo è finalmente spostare quell’ago adottando un approccio non convenzionale ispirato da uno dei pochi animali che già esplora con successo l’intero oceano.”
Nel corso della sua carriera, Dabiri ha guardato al mondo naturale, comprese le meduse, per trovare ispirazione nella risoluzione delle sfide ingegneristiche. Questo lavoro è iniziato con i primi tentativi del laboratorio di Dabiri di sviluppare un robot meccanico che nuotasse come le meduse, che possiede il metodo più efficiente per viaggiare attraverso l’acqua di qualsiasi creatura vivente. Sebbene il suo gruppo di ricerca sia riuscito a creare un robot del genere, quel robot non è mai stato in grado di nuotare in modo così efficiente come una vera medusa. A quel punto, si è chiesto Dabiri, perché non lavorare semplicemente con le meduse stesse?
“Le meduse sono le prime esploratrici dell’oceano, raggiungono i suoi angoli più profondi e prosperano altrettanto bene nelle acque tropicali o polari”, afferma Dabiri. “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. Facendo ciò, hanno scoperto che se facevano nuotare le meduse più velocemente del ritmo lento che mantengono normalmente, gli animali diventavano ancora più efficienti. Una medusa che nuota tre volte più velocemente del normale consuma solo il doppio dell’energia.
Questa volta, il gruppo di ricerca è andato oltre, aggiungendo quello che chiamano corpo anteriore alle gelatine. Questi corpi sono come cappelli che si trovano in cima alla campana della medusa (la parte dell’animale a forma di fungo). I dispositivi sono stati progettati dallo studente laureato e autore principale Simon Anuszczyk (MS ’22), che mirava a rendere la medusa più snella fornendo allo stesso tempo un luogo dove trasportare sensori e altri dispositivi elettronici.
“Proprio come l’estremità appuntita di una freccia, abbiamo progettato la parte anteriore stampata in 3D per snellire la campana del robot medusa, ridurre la resistenza e aumentare le prestazioni di nuoto”, afferma Anuszczyk. “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 gelatine, il laboratorio di Dabiri ha intrapreso la costruzione di un enorme acquario verticale all’interno del Laboratorio Guggenheim del Caltech. Dabiri spiega che il serbatoio a tre piani è alto, anziché largo, perché i ricercatori vogliono raccogliere dati sulle condizioni oceaniche molto al di sotto della superficie.
“Nell’oceano, il viaggio di andata e ritorno dalla superficie fino a diverse migliaia di metri richiederà alcuni giorni per le meduse, quindi volevamo sviluppare una struttura per studiare quel processo in laboratorio”, dice Dabiri. “La nostra vasca 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 acquatico verticale del suo genere – sia utile per una varietà di altre attività di base”. e domande di ricerca applicata.”
I test di nuoto condotti nella vasca mostrano che una medusa dotata di una combinazione di pacemaker e corpo anteriore può nuotare fino a 4,5 volte più velocemente di una gelatina naturale mentre trasporta un carico utile. Il costo totale è di circa 20 dollari per medusa, dice Dabiri, il che rende le gelatine 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”, aggiunge Dabiri. “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”, aggiunge.
Dabiri afferma che il lavoro futuro potrebbe concentrarsi sull’ulteriore miglioramento delle capacità delle gelatine bioniche. Al momento, possono essere fatti nuotare più velocemente solo in linea retta, come i percorsi verticali progettati per la misurazione delle profondità oceaniche. Ma ulteriori ricerche potrebbero anche renderli orientabili, in modo che possano essere diretti sia orizzontalmente che verticalmente.
Il finanziamento per la ricerca è stato fornito dalla National Science Foundation e dalla Charles Lee Powell Foundation.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
