Sværm af undervandsrobotter efterligner havlivet

Undervandsrobotter udviklet af forskere ved Scripps Institution of Oceanography ved University of California San Diego tilbyder forskere et ekstraordinært nyt værktøj til at studere havstrømme og de små væsner, de transporterer. Sværme af disse undervandsrobotter hjalp med at besvare nogle grundlæggende spørgsmål om de mest udbredte livsformer i havet - plankton.

Scripps forskning oceanograf Jules Jaffe designede og byggede miniaturen autonome undersøiske opdagelsesrejsende, eller M-AUE'er, at studere små miljøprocesser, der finder sted i havet. Havundersøgelsesinstrumenterne er udstyret med temperatur og andre sensorer til måling af de omgivende havforhold, mens robotterne "svømmer" op og ned for at opretholde en konstant dybde ved at justere deres opdrift. M-AUE'erne kan potentielt indsættes i sværme på hundreder til tusinder for at fange et tredimensionelt billede af samspillet mellem havstrømme og havliv.

I en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet 24. januar Naturkommunikation , Jaffe og Scripps biologiske oceanograf Peter Franks indsatte en sværm af 16 grapefrugtstore undervandsrobotter programmeret til at efterligne planktons undervandsadfærd, de mikroskopiske organismer, der driver med havstrømmene. Forskningsundersøgelsen var designet til at teste teorier om, hvordan plankton danner tætte pletter under havoverfladen, som ofte senere afslører sig selv ved overfladen som røde tidevand.

"Disse patches kan fungere som planktoniske singler, sagde Franks, der længe har mistanke om, at de tætte sammenlægninger kan hjælpe med fodring, reproduktion, og beskyttelse mod rovdyr.

For to årtier siden offentliggjorde frankene en matematisk teori, der forudsagde, at svømmende plankton ville danne tætte pletter, når de blev skubbet rundt af indre bølger - kæmpe, langsomt bevægende bølger under havoverfladen. At teste hans teori ville kræve at spore bevægelser af individuelt plankton - hver mindre end et riskorn - mens de svømmede i havet, hvilket ikke er muligt ved hjælp af tilgængelig teknologi.

Jaffe opfandt i stedet "robotplankton", der driver med havstrømmene, men er programmeret til at bevæge sig op og ned ved at justere deres opdrift, efterligne planktons bevægelser. En sværm af disse robotplankton var det ideelle værktøj til endelig at sætte Frankes matematiske teori på prøve.

"De store tekniske gennembrud skulle gøre M-AUE'erne små, billig, og kan spores kontinuerligt under vandet, "sagde Jaffe. De lave omkostninger tillod Jaffe og hans team at bygge en lille hær af robotter, der kunne indsættes i en sværm.

Sporing af de enkelte M-AUE'er var en udfordring, da GPS ikke fungerer under vandet. En vigtig komponent i projektet var udviklingen af ​​forskere ved UC San Diego's Qualcomm Institute og Department of Computer Science and Engineering af matematiske teknikker til at bruge akustiske signaler til at spore M-AUE-køretøjerne, mens de var nedsænket.

Under et fem timers forsøg, forskerne fra Scripps sammen med UC San Diego-kolleger indsatte en sværm på 300 meter (984 fod) i diameter på 16 M-AUE'er programmeret til at forblive 10 meter dybt i havet ud for Torrey Pines kyst, nær La Jolla, Californien. M-AUE'erne justerede konstant deres opdrift til at bevæge sig lodret mod de strømme, der skabes af de indre bølger. Den tredimensionelle placeringsinformation, der blev indsamlet hvert 12. sekund, afslørede, hvor denne robotsværm bevægede sig under havoverfladen.

Resultaterne af undersøgelsen var næsten identiske med, hvad Franks forudsagde. De omgivende havtemperaturer svingede, da de indre bølger passerede gennem M-AUE-sværmen. Og, som forudsagt af franker, M-AUE-lokaliseringsdata viste, at sværmen dannede en tæt pakket plet i det varme vand i de interne bølgetrug, men spredt ud over bølgetoppene.

"Det er første gang, en sådan mekanisme er blevet testet under vandet, "sagde Franks. Eksperimentet hjalp forskerne med at bekræfte, at frit svævende plankton kan bruge havets fysiske dynamik-i dette tilfælde indre bølger-til at øge deres koncentrationer til at samles i sværme for at opfylde deres grundlæggende livsbehov.

"Denne sværmfornemmende tilgang åbner op for et helt nyt område af havforskning, "sagde Jaffe. Forøgelse af M-AUE'erne med kameraer ville muliggøre fotografisk kortlægning af korallhabitater, eller "plankton selfies, "ifølge Jaffe.

Forskergruppen har håb om at bygge flere hundrede flere af miniaturerobotterne for at studere larvernes bevægelse mellem marine beskyttede områder, overvåge skadelige rødvandsblomster, og for at hjælpe med at spore olieudslip. De indbyggede hydrofoner, der hjælper med at spore M-AUE'erne under vandet, kan også tillade sværmen at fungere som et kæmpe "øre" i havet, lytte til og lokalisere omgivende lyde i havet.

Jaffe, Frankes, og deres kolleger blev tildelt næsten $ 1 million fra National Science Foundation i 2009 for at udvikle og teste den nye race af havundersøgelsesinstrumenter. Undersøgelsens medforfattere omfatter:Paul Roberts, hovedudviklingsingeniør hos Scripps, Ryan Kastner, professor i instituttet for datalogi og teknik; Diba Mirza, postdoktor i datalogi; og Curt Schurgers, hovedudviklingsingeniør ved Qualcomm Institute, og Scripps elevpraktikant Adrien Boch.