Bionische kwallen voor oceaanonderzoek

Door kwallen te voorzien van een voorlichaam met sensoren is gerichter en goedkoper oceanografisch onderzoek mogelijk.

Kwallen kunnen niet veel anders dan zwemmen, steken, eten en broeden. Ze hebben niet eens hersens. Toch kunnen deze eenvoudige wezens gemakkelijk naar de diepten van de oceanen reizen op een manier die mensen ondanks al hun technologie niet kunnen. Maar wat als mensen kwallen namens ons de oceanen kunnen laten verkennen en kunnen rapporteren wat ze vinden?

Klimaatdata

Nieuw onderzoek aan het California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena heeft tot doel dit werkelijkheid te maken door de creatie van wat onderzoekers biohybride robotkwallen noemen. Deze wezens, die kunnen worden gezien als oceaancyborgs, voorzien kwallen van elektronica die hun zwemmen verbetert. Ook krijgen ze een prothetische 'hoed' die een kleine lading kan dragen, terwijl ze de kwallen ook op een meer gestroomlijnde manier laten zwemmen.

Het doel van het onderzoek is om kwallen te gebruiken als robotgegevensverzamelaars. De bedoeling is ze in de oceanen uit te zetten om informatie te verzamelen over temperatuur, zoutgehalte en zuurstofniveaus. Deze worden beïnvloed door het veranderende klimaat op aarde.

Oceanen zijn van cruciaal belang voor het bepalen van ons huidige en toekomstige klimaat op het land. Maar we weten maar weinig over de oceaan, vooral onder het oppervlak. De onderzoekers willen daar verandering in brengen door een onconventionele aanpak te volgen, geïnspireerd door een van de weinige dieren die al met succes de hele oceaan verkennen.

Biohybride robot

Het huidige onderzoek werk begon met vroege pogingen om een mechanische robot te ontwikkelen die zwom als kwallen. Hoewel het onderzoeksteam erin slaagde zo'n robot te maken, kon die robot nooit zo efficiënt zwemmen als een echte kwal. Dat leidde tot de vraag: waarom niet gewoon werken met kwallen zelf? Deze dieren bereiken de diepste uithoeken en gedijen in zowel tropische als poolwateren. Ze hebben geen hersenen of kunnen geen pijn voelen. In samenwerking met bio-ethici hebben de onderzoekers biohybride robottoepassing ontwikkeld op een manier die ethisch principieel is.

Eerder implanteerden de onderzoekers kwallen een soort elektronische pacemaker die de snelheid regelt waarmee ze zwemmen. Daarbij ontdekten ze dat, als ze kwallen sneller lieten zwemmen dan het rustige tempo dat ze normaal aanhouden, de dieren nog efficiënter werden. Een kwal die drie keer sneller zwemt dan normaal, verbruikt slechts twee keer zoveel energie.

Voorlichaam

Het onderzoeksteam ging nog een stap verder en voegde wat zij een voorlichaam aan de gelei noemen. Deze voorlichamen lijken op hoeden die bovenop het paddestoelvormige deel van het dier zitten. De apparaten hebben tot doel de kwallen gestroomlijnder te maken en tegelijkertijd een plek te bieden waar sensoren en andere elektronica kunnen worden vervoerd.

Net als het puntige uiteinde van een pijl hebben ze 3D-geprinte voorlichamen ontworpen om de paddestoelvorm van de kwallenrobot te stroomlijnen, de weerstand te verminderen en de zwemprestaties te verbeteren. Tegelijkertijd experimenteerden de onderzoekers met 3D-printen totdat ze het drijfvermogen zorgvuldig konden balanceren en de kwallen verticaal konden laten zwemmen.

Aquarium

Om het zwemvermogen van de bionische kwallen te testen, werd een groot verticaal aquarium gebouwd. De drie verdiepingen tellende tank is hoog in plaats van breed, omdat onderzoekers data willen verzamelen over de oceanische omstandigheden ver onder het oppervlak.

In de oceaan duurt de heen- en terugreis van het oppervlak naar enkele duizenden meters voor de kwal een paar dagen. De verticale tank laat de dieren tegen een stromende verticale stroming in zwemmen, zoals een loopband voor zwemmers. De onderzoekers verwachten dat het qauarium nuttig zal zijn voor een verscheidenheid aan andere fundamentele onderzoeksvragen en toegepaste activiteiten.

Resultaten en vervolg

Voor zwemtests in de tank zijn uitgevoerd is een kwal voorzien van een combinatie van de zwempacemaker en het voorlichaam. Tests hebben aangetoond dat het biohybride wezen tot 4,5 keer sneller kan zwemmen dan een natuurlijke kwal. De totale kosten bedragen ongeveer $ 20 per kwal, wat de biohybride wezens een aantrekkelijk alternatief maakt voor het huren van een onderzoeksschip dat meer dan $ 50.000 per dag kan kosten.

Door het duikvermogen en hun vermogen om zichzelf van energie te voorzien door zich te voeden, is de technische uitdaging voor de onderzoekers beter beheersbaar. Ze moeten het sensorpakket nog steeds zo ontwerpen dat het dezelfde verpletterende druk kan weerstaan. Maar de elektronica is kleiner dan een softbal, waardoor het veel gemakkelijker te ontwerpen is dan een volledig onderzeeërvoertuig dat op die diepten opereert.

Toekomstig onderzoek kan zich concentreren op het verder verbeteren van de capaciteiten van de bionische kwal. Op dit moment kunnen ze alleen sneller in een rechte lijn worden gemaakt, zoals de verticale paden die zijn ontworpen voor metingen in de diepe oceaan. Maar door verder onderzoek kunnen ze mogelijk ook stuurbaar worden, zodat ze zowel horizontaal als verticaal gericht kunnen worden.

De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.

Foto: Caltech