Bioniske vandmænd svømmer hurtigere og mere effektivt

Ingeniører ved Caltech og Stanford University har udviklet en lille protese, der gør det muligt for vandmænd at svømme hurtigere og mere effektivt, end de normalt gør, uden at stresse dyrene. Forskerne bag projektet forestiller sig en fremtid, hvor maneter udstyret med sensorer kan ledes til at udforske og registrere oplysninger om havet.

Maneter bruger en pulserende bevægelse til at drive sig fremad, svinger deres tentakler, mens de bevæger sig for at fange bytte. Den nye protese bruger elektriske impulser til at regulere - og fremskynde - at pulserende, ligner den måde, en pacemaker regulerer puls. Enheden, som er neutralt flydende i vand, er cirka to centimeter i diameter og er fastgjort til vandmændens krop via en lille træhage.

Forskningen - ledet af Caltechs John Dabiri (MS '03, Ph.d. '05), Hundredeårig professor i luftfart og maskinteknik, og Stanford -kandidatstuderende Nicole Xu - blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt den 29. januar.

Typisk, vandmænd svømmer med en hastighed på cirka to centimeter i sekundet. Selvom de er i stand til at bevæge sig hurtigere, det hjælper dem ikke med at fange bytte, deres typiske årsag til at bruge den tentakelbølgende "svømning" -bevægelse.

I forskningen beskrevet i avisen, Dabiri, Xu, og kolleger udstyrede vandmænd med en mikroelektronisk controller, der pulserer med en frekvens tre gange hurtigere end dyrenes normale kropspulser. Dyrenes pulserede fart, producerer en tilsvarende stigning i deres svømmehastighed til omkring 4-6 centimeter i sekundet.

Udover at gøre vandmændene hurtigere, de elektriske ryk fik dem også til at svømme mere effektivt. Selvom vandmændene svømmede tre gange hurtigere end deres sædvanlige tempo, de brugte bare dobbelt så meget energi til at gøre det (målt ved mængden af ​​ilt, der forbruges af dyrene under svømning). Faktisk, vandmændene med protese var over 1, 000 gange mere effektive end svømmerobotter, Xu siger.

"Vi har vist, at de er i stand til at bevæge sig meget hurtigere, end de normalt gør, uden unødige omkostninger ved deres stofskifte, "Xu siger." Dette afslører, at vandmænd besidder en uudnyttet evne til hurtigere, mere effektiv svømning. De har normalt ikke en grund til at gøre det. "

Det skal bemærkes, at vandmændene blev overvåget nøje for at sikre, at de ikke blev skadet. Vandmænd har ikke en hjerne eller smertereceptorer, men de har vist sig at udskille slim, når de er stressede, og ingen sådan sekretion blev observeret i dette forsøg. Ud over, vandmændene gik tilbage til at svømme normalt, når protesen blev fjernet.

Forskningen repræsenterer en "mellemvej" mellem to årer af bioinspireret robotarbejde, som Dabiri har været involveret i det sidste årti, både hos Caltech og Stanford. Den ene involverer brug af rent mekaniske komponenter og den anden rent biologiske materialer.

Med rent mekaniske systemer, Dabiri har haft succes med at bygge robotter, der ligner rigtige dyr, men kræver meget mere energi for at udføre de samme opgaver. "Vi har ikke fanget elegancen i biologiske systemer endnu, "bemærker han. Dog, selvom de er mere elegante end robotter, rent biologiske systemer er meget mere skrøbelige. Ja, i samarbejde med kolleger ved Harvard University, Dabiri har vist, at hjerte rotte celler kan reagere på elektriske felter - hvilket potentielt gør dem nyttige byggesten til biologiske enheder - men cellerne overlever kun under laboratorieforhold.

Bestræbelserne på at tilføje mekaniske kontroller til vandmænd begyndte i 2013 hos Caltech, da Xu var en bachelorstuderende, der lavede et Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) i Dabiris laboratorium. Dabiri var interesseret i at udnytte vandmænd til havudforskning og sansning på grund af deres overflod:de arter, der blev brugt i de nuværende forsøg, kan findes i hele jordens oceaner, på dybder lige fra overfladen til bunden af ​​dybe skyttegrave.

"Kun en lille brøkdel af havet er blevet udforsket, så vi vil drage fordel af det faktum, at vandmænd allerede er overalt for at tage et spring fra skibsbaserede målinger, der er begrænset i antal på grund af deres høje omkostninger, "Siger Dabiri." Hvis vi kan finde en måde at dirigere disse vandmænd på og også udstyre dem med sensorer til at spore ting som havtemperatur, saltindhold, iltindhold, og så videre, vi kunne skabe et virkelig globalt havnetværk, hvor hver af vandmændsrobotterne koster et par dollars at instrumentere og fodrer sig selv med energi fra bytte allerede i havet. "

I øjeblikket, protesen kan lede vandmænd til at begynde at svømme og kontrollere tempoet. Det næste trin vil være at udvikle et system, der guider vandmændene i specifikke retninger, og som giver dem mulighed for at reagere på signaler fra indbyggede sensorer, siger Dabiri, der håber på at udvikle endnu mindre elektroniske kontroller, der kunne være fuldstændig indlejret i vandmændens væv, gør dem til permanente, men ubemærket proteser.

Undersøgelsen har titlen "Lav effekt mikroelektronik indlejret i levende vandmænd forbedrer fremdriften."