Ny ultrablød undervandsgriber fanger og frigiver vandmænd sikkert og beskadiger den ikke

Vandmænd er omkring 95 % vand, gør dem til nogle af de mest gennemsigtige, sarte dyr på planeten. Men de resterende 5% af dem har givet vigtige videnskabelige opdagelser, ligesom grønt fluorescerende protein (GFP), der nu bruges i vid udstrækning af forskere til at studere genekspression, og livscyklusvending, der kunne holde nøglerne til at bekæmpe aldring. Vandmænd kan meget vel rumme andre, potentielt livsændrende hemmeligheder, men vanskeligheden ved at samle dem har stærkt begrænset studiet af en sådan "glemt fauna". De prøveudtagningsværktøjer, der er tilgængelige for marinebiologer på fjernbetjente køretøjer (ROV'er), blev i vid udstrækning udviklet til marineolie- og gasindustrien, og er meget bedre egnet til at gribe og manipulere sten og tungt udstyr end geléer, ofte makulere dem i stykker i forsøg på at fange dem.

Nu, en ny teknologi udviklet af forskere ved Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), og Baruch College på CUNY tilbyder en ny løsning på dette problem i form af en ultrablød, undervandsgriber, der bruger hydraulisk tryk til forsigtigt, men fast at vikle sine fettuccini-lignende fingre omkring en enkelt vandmand, slip den derefter uden at forårsage skade. Griberen er beskrevet i et nyt papir udgivet i Videnskab robotik .

"Vores ultra-blide griber er en klar forbedring i forhold til eksisterende dybhavsudtagningsenheder til geléer og andre bløde kropsdyr, der ellers er næsten umulige at indsamle intakte, " sagde førsteforfatter Nina Sinatra, Ph.D., en tidligere kandidatstuderende ved Wyss Institute, som nu er mekanik- og materialeingeniør hos Google. "Denne teknologi kan også udvides til at forbedre undervandsanalyseteknikker og tillade omfattende undersøgelse af de økologiske og genetiske egenskaber ved marine organismer uden at tage dem op af vandet."

Griberens seks "fingre" er sammensat af tynde, flade strimler af silikone med en hul kanal indeni bundet til et lag af fleksible, men stivere polymer -nanofibre. Fingrene er fastgjort til en rektangulær, 3-D-printet plastik "håndflade" og, når deres kanaler er fyldt med vand, krølle i retning af den nanofiberbelagte side. Fingrene udøver hver især et ekstremt lavt tryk - omkring 0,0455 kPA, eller mindre end en tiendedel af trykket af et menneskes øjenlåg på deres øje. Derimod nuværende avancerede bløde marine gribere, som bruges til at fange sarte, men mere robuste dyr end vandmænd, udøver omkring 1 kPA.

Forskerne monterede deres ultra-blide griber til en specielt skabt håndholdt enhed og testede dens evne til at gribe en kunstig silikone vandmand i en tank med vand for at bestemme den positionering og præcision, der kræves for at indsamle en prøve med succes, samt den optimale vinkel og hastighed til at fange en vandmand. De gik derefter videre til den ægte vare på New England Aquarium, hvor de brugte griberne til at få fat i svømmende månegeléer, gelé spæk, og plettet gelé, alt på størrelse med en golfbold.

Griberen var med succes i stand til at fange hver vandmand mod enhedens håndflade, og vandmændene var ikke i stand til at bryde fri fra fingrenes greb, før griberen var trykløst. Vandmændene viste ingen tegn på stress eller andre negative virkninger efter at være blevet sluppet, og fingrene var i stand til at åbne og lukke omkring 100 gange, før de viste tegn på slid.

"Marinebiologer har ventet længe på et værktøj, der genskaber menneskehænders mildhed i interaktion med sarte dyr som vandmænd fra utilgængelige miljøer, "sagde medforfatter David Gruber, Ph.D., som er professor i biologi og miljøvidenskab ved Baruch College, CUNY og en National Geographic Explorer. "Denne griber er en del af en stadigt voksende blød robotværktøjskasse, der lover at gøre opsamling af undervandsarter lettere og sikrere, hvilket i høj grad ville forbedre tempoet og kvaliteten af ​​forskning i dyr, der er blevet undersøgt i hundreder af år, giver os et mere komplet billede af de komplekse økosystemer, der udgør vores oceaner."

Den ultrabløde griber er den seneste innovation i brugen af ​​blød robotteknologi til undervandsprøvetagning, et igangværende samarbejde mellem Gruber og Wyss Founding Core Faculty-medlem Rob Wood, Ph.D. der har produceret den origami-inspirerede RAD-sampler og multifunktionelle "squishy fingre" til at indsamle en bred vifte af svært at fange organismer, herunder blæksprutter, blæksprutter, svampe, havpiske, koraller, og mere.

"Soft robotics er en ideel løsning på langvarige problemer som denne på tværs af en lang række områder, fordi den kombinerer programmerbarheden og robustheden af ​​traditionelle robotter med hidtil uset nænsomhed takket være de fleksible materialer, der anvendes, sagde Wood, som er medleder for Wyss Institute's Bioinspired Soft Robotics Platform, Charles River professor i ingeniørvidenskab og anvendt videnskab ved SEAS, og en National Geographic Explorer.

Teamet fortsætter med at forfine den ultrabløde gribers design, og har til formål at udføre undersøgelser, der evaluerer vandmændenes fysiologiske respons på at blive holdt af griberen, for mere endegyldigt at bevise, at de ikke forårsager stress hos dyrene. Wood og Gruber er også co-Principal Investigators af Schmidt Ocean Institutes "Designing the Future"-projekt, og vil yderligere teste deres forskellige undervandsrobotter på en kommende ekspedition ombord på forskningsskibet Falkor i 2020.

"På Wyss Institute spørger vi altid, 'Hvordan kan vi gøre det bedre?' Jeg er ekstremt imponeret over den opfindsomhed og out-of-the-box tankegang, som Rob Wood og hans team har brugt til at løse et problem i den virkelige verden, der eksisterer i det åbne hav, frem for i laboratoriet. Dette kunne være med til at fremme havvidenskaben, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School, det vaskulære biologiske program på Boston Children's Hospital, og professor i bioingeniør ved SEAS.