En undervands pokeball til at fange havdyr

Det åbne hav er det største og mindst udforskede miljø på Jorden, estimeret til at rumme op til en million arter, der endnu ikke er beskrevet. Imidlertid, mange af disse organismer er bløde – som vandmænd, blæksprutte, og blæksprutter - og er svære at fange til undersøgelse med eksisterende undervandsværktøjer, som alt for ofte beskadiger eller ødelægger dem. Nu, en ny enhed udviklet af forskere ved Harvard Universitys Wyss Institute, John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), og Radcliffe Institute for Advanced Study fanger sikkert sarte havdyr inde i et foldeligt polyedrisk kabinet og lader dem gå uden skade ved hjælp af en roman, origami-inspireret design. Forskningen er rapporteret i Videnskab robotik .

"Vi nærmer os disse dyr, som om de er kunstværker:ville vi skære stykker ud af Mona Lisa for at studere den? Nej – vi ville bruge de mest innovative værktøjer, der findes. Disse dybhavsorganismer, nogle er tusinder af år gamle, fortjener at blive behandlet med en lignende mildhed, når vi interagerer med dem, " sagde den samarbejdende forfatter David Gruber, Ph.D., hvem er en 2017-2018 Radcliffe Fellow, National Geographic Explorer, og professor i biologi og miljøvidenskab ved Baruch College, CUNY.

Ideen om at anvende foldeegenskaber til undervandsprøvesamling begyndte i 2014, da førsteforfatter Zhi Ern Teoh, Ph.D. tog en klasse hos Chuck Hoberman, FRK., et Wyss Associate Faculty Member og Pierce Anderson Lektor i Design Engineering ved Harvard Graduate School of Design, om at skabe foldemekanismer gennem beregningsmæssige midler. "Jeg byggede mikrorobotter i hånden på kandidatskolen, hvilket var meget omhyggeligt og kedeligt arbejde, og jeg spekulerede på, om der var en måde at folde en flad overflade til en tredimensionel form ved hjælp af en motor i stedet, " sagde Teoh, en tidligere Wyss postdoc i laboratoriet hos Robert Wood, Ph.D., som nu er ingeniør hos Cooper Perkins.

Et andet medlem af Wood lab på det tidspunkt, Brennan Phillips, Ph.D. - nu assisterende professor i havteknik ved University of Rhode Island - så Teohs design og foreslog, at han tilpassede det til at fange havdyr, som er notorisk svære at få fat i med eksisterende undervandsudstyr, der i vid udstrækning er designet til det barske arbejde med havminedrift og -konstruktion.

Enheden, som Teoh byggede, består af fem identiske 3-D-printede polymer-"kronblade", der er fastgjort til en række roterende led, der er forbundet med hinanden for at danne et stillads. Når en enkelt motor anvender et drejningsmoment til det punkt, hvor kronbladene mødes, det får hele strukturen til at rotere om sine led og foldes op til et hult dodekaeder (som en tolvsidet, næsten rund kasse), giver den navnet Rotary Actuated Dodecahedron (RAD). Foldningen er helt styret af udformningen af ​​leddene og formen af ​​selve kronbladene; ingen anden input er påkrævet.

Holdet testede RAD sampleren på Mystic Aquarium i Mystic, CT og med succes indsamlet og frigivet månevandmænd under vandet. Efter at have foretaget modifikationer af prøveudtageren, så den kunne modstå åbne havforhold, de monterede den derefter på et undervands fjernbetjent køretøj (ROV) leveret af Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) i Monterey, CA og testede det i marken i dybder på 500-700 m (1, 600-2, 300 ft) ved at bruge ROV'ens manipulatorarm og menneskekontrollerede joystick til at betjene prøveudtageren. Holdet var i stand til at fange bløde organismer som blæksprutter og vandmænd i deres naturlige levesteder, og frigive dem uden skade.

"RAD sampler-designet er perfekt til det vanskelige miljø i det dybe hav, fordi dets kontroller er meget enkle, så der er færre elementer, der kan gå i stykker. Det er også modulopbygget, så hvis noget går i stykker, vi kan bare udskifte den del og sende prøveudtageren tilbage i vandet, " sagde Teoh. "Dette foldedesign er også velegnet til at blive brugt i rummet, som ligner det dybe hav, idet det er en lav tyngdekraft, ugæstfrit miljø, der gør det udfordrende at betjene enhver enhed."

Teoh og Phillips arbejder i øjeblikket på en mere robust version af RAD-sampleren til brug i tungere undervandsopgaver, ligesom marin geologi, mens Gruber og Wood fokuserer på yderligere at forfine samplerens mere delikate evner. "Vi vil gerne tilføje kameraer og sensorer til sampleren, så i fremtiden, vi kan fange et dyr, indsamle en masse data om det, f.eks. dets størrelse, materialeegenskaber, og endda dets genom, og så lad det gå, næsten som en undervandsvæsen bortførelse, sagde Gruber.

"Vores gruppes samarbejde med det marinebiologiske samfund har åbnet døren for områderne blød robotteknologi og origami-inspireret teknik til at anvende disse teknologier til at løse problemer i en helt anden disciplin, og vi er spændte på at se, hvordan denne synergi skaber nye løsninger, sagde Wood, som er et stiftende kernefakultetsmedlem af Wyss Institute, Charles River professor i ingeniørvidenskab og anvendt videnskab ved SEAS, og også en National Geographic Explorer.

"Samarbejde på tværs af discipliner er et afgørende træk ved Wyss Institute, og dette arbejde eksemplificerer, hvordan nye innovationer kan dukke op, når forskere fra vidt forskellige felter begynder at kommunikere med hinanden, sagde Don Ingber, M.D., Ph.D., den stiftende direktør for Wyss Institute, som også er Judah Folkman-professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved SEAS.