Una solución blanda para un problema subacuático difícil

Los investigadores convirtieron su manipulador suave de tres dedos en una versión de dos dedos, que se ve aquí con una pizca de agarre en un pepino de mar extremadamente delicado. (Crédito: Schmidt Ocean Institute)

Un manipulador suave de tres dedos agarrando una anémona de mar unida a una roca sobre un sustrato duro. (Crédito: Schmidt Ocean Institute)

Esta versión totalmente impresa en 3D de las pinzas incluye "uñas" en los extremos de los dedos para ayudar a recoger organismos que están sentados en superficies duras, así como extensiones de malla entre los dedos para mantener las muestras seguras. (Crédito: Instituto Wyss en la Universidad de Harvard)

Una versión modificada de la pinza con solo dos dedos puede realizar tanto una "toma de fuerza" para sostener objetos grandes como una "sujeción de agarre" para sostener objetos pequeños, al igual que una mano humana. (Crédito: Instituto Wyss en la Universidad de Harvard)

Los investigadores utilizaron impresoras 3D a bordo del barco para crear nuevas versiones de las pinzas (naranjas) durante la noche en respuesta a los comentarios de los pilotos y biólogos del ROV. (Crédito: Instituto Wyss en la Universidad de Harvard)

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Las pinzas suaves se pueden imprimir en 3D a bordo de barcos para muestrear de forma segura diferentes tipos de vida marina

El océano profundo, oscuro, frío, bajo alta presión y sin aire, es notoriamente inhóspito para los humanos, pero rebosa de organismos que logran prosperar en su duro entorno. El estudio de esas criaturas requiere equipos especializados montados en vehículos operados a distancia (ROV) que puedan resistir esas condiciones para recolectar muestras. Este equipo, diseñado principalmente para las industrias de petróleo y minería submarinas, es torpe, costoso y difícil de maniobrar con el tipo de control necesario para interactuar con la vida marina delicada. Escoger una delicada babosa de mar en el fondo del océano con estas herramientas es similar a tratar de arrancar una uva usando tijeras de podar.

Ahora, un grupo multidisciplinario de ingenieros, biólogos marinos y robóticos ha desarrollado un dispositivo de muestreo alternativo que es suave, flexible y personalizable, lo que permite a los científicos agarrar suavemente diferentes tipos de organismos del mar sin dañarlos, y realizar modificaciones en la impresión 3D en el dispositivo durante la noche sin la necesidad de regresar a un laboratorio terrestre. La investigación se informa en PLOS One .

"Al interactuar con criaturas submarinas suaves y delicadas, tiene más sentido que su equipo de muestreo sea también suave y gentil", dijo el coautor Rob Wood, Ph.D., miembro fundador de la Facultad de Núcleo del Instituto Wyss, que es también el Profesor Charles River de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS). "Recientemente, el campo de la robótica blanda se ha desarrollado hasta el punto de que podemos construir robots que puedan atrapar a estos animales de forma confiable e inofensiva".

Los dispositivos de "agarre suave" diseñados por el equipo tienen entre dos y cinco "dedos" hechos de poliuretano y otros materiales blandos que se abren y cierran a través de un sistema de bomba hidráulica de baja presión que utiliza agua de mar para impulsar su movimiento. Las mismas pinzas están unidas a una bola de madera que se sujeta y manipula utilizando las herramientas duras, parecidas a garras existentes de un ROV, controladas por un operador humano en el barco al que está amarrado el ROV.

El equipo desplegó su última versión de las pinzas suaves en un viaje a bordo del R / V Falkor en el área protegida remota de las Islas Fénix en el Pacífico Sur. Un entorno tan aislado significaba que la obtención de nuevas piezas para las pinzas sería casi imposible, por lo que trajeron dos impresoras 3D para crear nuevos componentes sobre la marcha.

"Estar en un barco durante un mes significaba que teníamos que poder hacer todo lo que necesitábamos, y resulta que las impresoras 3D funcionaron muy bien para hacerlo en el barco. Los hicimos funcionar casi 24 horas al día, 7 días a la semana, y pudimos recibir comentarios de los operadores de ROV sobre su experiencia con los dispositivos de agarre suave y hacer nuevas versiones durante la noche para solucionar cualquier problema ", dijo Daniel Vogt, MS, ingeniero de investigación en el Wyss. Instituir quién es el primer autor del artículo.

Las pinzas suaves fueron capaces de agarrar babosas de mar, corales, esponjas y otras especies marinas de manera mucho más efectiva y con menos daño que las herramientas de muestreo subacuáticas tradicionales. En base a los comentarios de los operadores del ROV, el equipo imprimió extensiones de "uñas" impresas en 3D que podrían agregarse a los dedos de la pinza para ayudarlos a colocarse debajo de las muestras que estaban sobre superficies duras. También se agregó una malla flexible a cada dedo para ayudar a mantener las muestras contenidas dentro del agarre de los dedos. Otra versión de dos dedos de las pinzas también se creó en base a la familiaridad de los pilotos de ROV con el control de pinzas de dos dedos existentes, y su solicitud de que los dos dedos puedan sostener muestras con agarre de "pellizco" (para objetos pequeños) y un agarre de "poder" (para objetos grandes).

El equipo continúa desarrollando las pinzas, con la esperanza de agregar sensores que puedan indicarle al operador del ROV cuando las pinzas entren en contacto con un organismo, "sentir" cuán duro o blando sea y tomar otras medidas. En última instancia, su objetivo es poder capturar criaturas marinas en las profundidades del océano y obtener datos físicos y genéticos completos sin sacarlos de sus hábitats nativos.

"Ser capaz de imprimir en 3D las variaciones de estos robots blandos en cuestión de horas para interactuar con seguridad con diferentes tipos de vida marina tiene el potencial de revolucionar la forma en que se realiza el trabajo de campo de biología marina", dijo el co-autor correspondiente David Gruber, Ph.D., quien es miembro de Radcliffe 2017-2018, National Geographic Explorer y profesor de biología y ciencias ambientales en Baruch College, CUNY.

"Las nuevas tecnologías nos permiten continuamente superar las limitaciones de las tecnologías antiguas, que con demasiada frecuencia simplemente se aceptan como el status quo y nunca se desafiaron", dijo el Director Fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es el Judah Folkman Profesor de Biología Vascular en HMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como profesor de Bioingeniería en SEAS. "Las tecnologías de impresión 3D y robótica blanda ahora permiten que los procesos de diseño e iteración sucedan en el sitio y no en el laboratorio, por lo que es más rápido, más fácil y más barato crear soluciones a los problemas existentes".

Los autores adicionales del artículo incluyen Kaitlyn Becker y Mortiz Graule del Instituto Wyss y Harvard SEAS, Brennan Phillips, Ph.D. de la Universidad de Rhode Island, Randi Rotjan, Ph.D. de la Universidad de Boston, Timothy Shank, Ph.D. de Woods Hole Oceanographic Institution, y Erik Cordes, Ph.D. de la Universidad de Temple.

La investigación fue apoyada por la Asociación Nacional Oceanográfica y Atmosférica, el Schmidt Ocean Institute, la National Science Foundation, la National Academy of Sciences, el PIPA Conservation Trust, el PIPA Scientific Committee y el Wyss Institute de la Universidad de Harvard.