Глубокий океан - темный, холодный, находящийся под высоким давлением и безвоздушный - общеизвестно негостеприимный для людей, но он кишит организмами, которым удается процветать в его суровых условиях. Для изучения этих существ требуется специальное оборудование, установленное на дистанционно управляемых транспортных средствах (ROV), которые могут выдерживать такие условия для сбора образцов. Это оборудование, разработанное в первую очередь для подводной нефтяной и горнодобывающей промышленности, громоздкое, дорогое и трудноуправляемое с таким контролем, который необходим для взаимодействия с деликатными морскими обитателями. Собирать нежного морского слизня со дна океана с помощью этих инструментов сродни попытке сорвать виноград секатором.
Теперь междисциплинарная группа инженеров, морских биологов и робототехников разработала альтернативное устройство для отбора проб, которое является мягким, гибким и настраиваемым, что позволяет ученым осторожно извлекать различные типы организмов из моря, не повреждая их, и 3D-печать модификаций устройства за ночь без необходимости возвращаться в наземную лабораторию. Об исследовании сообщается в PLOS One.
«При взаимодействии с мягкими, деликатными подводными существами имеет смысл, чтобы ваше оборудование для отбора проб также было мягким и нежным», - сказал соавтор Роб Вуд, доктор философии, член-учредитель основного факультета Института Висса, который также является профессором инженерии и прикладных наук Чарльза Ривера в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS). «Только недавно область мягкой робототехники развилась до такой степени, что мы действительно можем создавать роботов, которые могут надежно и безвредно хватать этих животных."
Устройства «мягкого захвата», разработанные командой, имеют от двух до пяти «пальцев», сделанных из полиуретана и других мягких материалов, которые открываются и закрываются с помощью системы гидравлического насоса низкого давления, которая использует морскую воду для движения. Сами захваты прикреплены к деревянному шару, который удерживается и манипулируется с помощью существующих жестких инструментов, похожих на клешни, управляемых человеком-оператором на корабле, к которому привязан ROV.
Команда развернула свою последнюю версию мягких захватов во время путешествия на борту R/V Falkor в удаленной охраняемой зоне островов Феникс в южной части Тихого океана. Такая изолированная среда означала, что получение новых деталей для захватов было бы почти невозможным, поэтому они привезли два 3D-принтера для создания новых компонентов на лету.
Нахождение на корабле в течение месяца означало, что мы должны были быть в состоянии сделать все, что нам нужно, и оказалось, что 3D-принтеры отлично справлялись с этим на корабле. Они работали почти круглосуточно и без выходных, и мы смогли получить отзывы от операторов ROV об их опыте использования мягких захватов и сделать новые версии в одночасье для решения любых проблем», - сказал Даниэль Фогт, магистр наук, инженер-исследователь компании Wyss. Установите, кто является первым автором статьи.
Мягкие захваты способны захватывать морских слизней, кораллы, губки и других морских обитателей намного эффективнее и с меньшим ущербом, чем традиционные подводные инструменты для отбора проб. Основываясь на информации от операторов ROV, команда напечатала на 3D-принтере удлинители «ногтей», которые можно было добавить к пальцам захвата, чтобы помочь им проникнуть под образцы, которые находились на твердых поверхностях. К каждому пальцу также была добавлена гибкая сетка, помогающая удерживать образцы в пределах захвата пальцев. Другая версия захватов с двумя пальцами также была создана на основе знакомства пилотов ROV с управлением существующими захватами с двумя пальцами и их запроса о том, чтобы два пальца могли удерживать образцы как с захватом «щипком» (для мелких предметов). и «силовой» захват (для крупных предметов).
Команда продолжает разработку захватов, надеясь добавить датчики, которые могут указывать оператору ROV, когда захваты вступают в контакт с организмом, «чувствовать», насколько он тверд или мягок, и проводить другие измерения. В конечном счете, их цель - иметь возможность ловить морских существ в глубоком океане и получать полные физические и генетические данные, не вывозя их из их естественной среды обитания.
«Возможность 3D-печати вариантов этих мягких роботов в течение нескольких часов для безопасного взаимодействия с различными видами морской жизни может революционизировать способ проведения полевых исследований в области морской биологии», - сказал соавтор Дэвид Грубер. Доктор философии, стипендиат Рэдклиффа в 2017-2018 годах, исследователь National Geographic и профессор биологии и наук об окружающей среде в колледже Баруха, CUNY.
«Новые технологии постоянно позволяют нам преодолевать ограничения старых технологий, которые слишком часто просто принимаются как статус-кво и никогда не оспариваются», - сказал директор-основатель Wyss Institute Дональд Ингбер, М. D., Ph. D., который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в SEAS. «Технологии 3D-печати и мягкой робототехники теперь позволяют процессам проектирования и итерации происходить на месте, а не в лаборатории, что позволяет быстрее, проще и дешевле создавать решения существующих проблем».
Дополнительными авторами статьи являются Кейтлин Беккер и Мортис Грауле из Института Висса и Гарвардского университета SEAS, Бреннан Филлипс, доктор философии. из Университета Род-Айленда, Рэнди Ротян, доктор философии. из Бостонского университета, Тимоти Шэнк, доктор философии. из Океанографического института Вудс-Хоул и Эрик Кордес, доктор философии. из Университета Темпл.
Исследование было поддержано Национальной океанографической и атмосферной ассоциацией, Океаническим институтом Шмидта, Национальным научным фондом, Национальной академией наук, Фондом охраны природы PIPA, Научным комитетом PIPA и Институтом Висса Гарвардского университета..