Estudiando Aliens of the Deep

Crédito: Instituto Wyss en la Universidad de Harvard

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Crédito: Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI)

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La muestra de poliedro plegable permite capturar y liberar fácilmente organismos delicados bajo el agua

El océano abierto es el entorno más grande y menos explorado en la Tierra, se estima que contiene hasta un millón de especies que aún no se han descrito. Sin embargo, muchos de esos organismos son de cuerpo blando, como medusas, calamares y pulpos, y son difíciles de capturar para su estudio con herramientas submarinas existentes, que con demasiada frecuencia las destruyen o las dañan. Ahora, un nuevo dispositivo desarrollado por investigadores del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) y el Instituto Radcliffe de Estudios Avanzados atrapa con seguridad criaturas marinas delicadas dentro de un recinto poliédrica plegable y los deja ir sin daños usando un novedoso diseño inspirado en origami. La investigación se reporta en Science Robotics.

"Nos acercamos a estos animales como si fueran obras de arte: ¿podríamos cortar piezas de la Mona Lisa para estudiarlo? No, usaríamos las herramientas más innovadoras disponibles. Estos organismos de aguas profundas, algunos tienen miles de años, merecen ser tratados con una dulzura similar cuando interactuamos con ellos ", dijo el autor colaborador David Gruber, Ph.D., que es miembro de Radcliffe 2017-2018, National Geographic Explorer, y Profesor de Biología y Ciencias Ambientales en Baruch College, CUNY.

La idea de aplicar propiedades de doblado a la colección de muestras subacuáticas comenzó en 2014 cuando el primer autor Zhi Ern Teoh, Ph.D. Tomó una clase de Chuck Hoberman, MS, miembro de la facultad asociada de Wyss y profesor de diseño de Pierce Anderson en la Escuela de Diseño de Graduados de Harvard, sobre la creación de mecanismos de plegado a través de medios computacionales. "Estaba construyendo microrrobots a mano en la escuela de graduados, lo cual fue un trabajo muy laborioso y tedioso, y me pregunté si habría una manera de doblar una superficie plana en una forma tridimensional utilizando un motor", dijo Teoh, un ex Wyss Becario postdoctoral en el laboratorio de Robert Wood, Ph.D., que ahora es ingeniero en Cooper Perkins.

Un miembro del laboratorio de Wood en ese momento, Brennan Phillips, Ph.D.-ahora Profesor Asistente de Ingeniería Oceánica en la Universidad de Rhode Island-vio los diseños de Teoh y sugirió que lo adaptara para capturar criaturas marinas, que son notoriamente difíciles de capturar. agarrar con el equipo submarino existente que está diseñado en gran medida para el trabajo duro de la minería y la construcción del océano.

El dispositivo que construyó Teoh consta de cinco "pétalos" poliméricos impresos en 3D idénticos unidos a una serie de juntas giratorias que se unen entre sí para formar un andamio. Cuando un solo motor aplica un torque al punto donde los pétalos se encuentran, hace que toda la estructura gire alrededor de sus articulaciones y se pliegue en un dodecaedro hueco (como una caja de doce lados, casi redonda), lo que le da el nombre de Dodecaedro Accionado Giratorio (RAD). El plegado está completamente dirigido por el diseño de las articulaciones y la forma de los pétalos mismos; no se requiere ninguna otra entrada.

El equipo probó la muestra de RAD en Mystic Aquarium en Mystic, CT y recolectó y lanzó con éxito medusas luna bajo el agua. Después de hacer modificaciones en la muestra para que pudiera soportar las condiciones de mar abierto, luego la montaron en un vehículo operado por control remoto (ROV) provisto por el Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) en Monterey, CA y probado en el campo en profundidades de 500-700 m (1.600-2.300 pies) utilizando el brazo manipulador del ROV y el joystick controlado por el hombre para operar la muestra. El equipo pudo capturar organismos blandos como el calamar y las medusas dentro de sus hábitats naturales y liberarlos sin causar daños.

"El diseño de la muestra RAD es perfecto para el entorno difícil de las profundidades del océano porque sus controles son muy simples, por lo que hay menos elementos que puedan romperse. También es modular, por lo que si algo se rompe, podemos simplemente reemplazar esa parte y enviar de nuevo la muestra al agua ", dijo Teoh. "Este diseño plegable también es adecuado para ser utilizado en el espacio, que es similar al océano profundo, ya que es un entorno inhóspito y de baja gravedad que hace que operar un dispositivo sea un desafío".

Teoh y Phillips están trabajando actualmente en una versión más robusta de la muestra RAD para su uso en tareas submarinas más pesadas, como la geología marina, mientras que Gruber y Wood se están enfocando en perfeccionar aún más las habilidades más delicadas de la muestra. "Nos gustaría agregar cámaras y sensores a la muestra para que, en el futuro, podamos capturar un animal, recopilar muchos datos sobre él como su tamaño, propiedades del material e incluso su genoma, y ​​luego dejarlo ir, casi como un secuestro alienígena bajo el agua ", dijo Gruber.

"La colaboración de nuestro grupo con la comunidad de biología marina ha abierto la puerta para que los campos de la robótica suave y la ingeniería inspirada en origami apliquen esas tecnologías para resolver problemas en una disciplina completamente diferente, y estamos emocionados de ver las formas en que esta sinergia crea soluciones novedosas ", dijo Wood, quien es miembro fundador de la Facultad de Núcleo del Instituto Wyss, el Profesor Charles River de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en SEAS, y también un explorador de National Geographic.

"La colaboración entre disciplinas es una característica definitoria del Instituto Wyss, y este trabajo ejemplifica cómo pueden surgir nuevas innovaciones cuando los científicos de campos muy diferentes comienzan a comunicarse entre sí", dijo Don Ingber, MD, Ph.D., Director Fundador de el Instituto Wyss, que también es Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y el Programa de Biología Vascular en el Hospital Infantil de Boston, así como profesor de Bioingeniería en el SEAS.

Phillips es actualmente Profesor Asistente de Ingeniería Oceánica en la Universidad de Rhode Island. Los autores adicionales del artículo incluyen Kaitlyn Becker, Griffin Whittredge y James Weaver, Ph.D. del Instituto Wyss y SEAS.

Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation y la National Academy of Sciences.