Wetenschap
Onderzoekers ontdekken hoe gelei-zeedieren moderne robotica kunnen vormen
Wetenschappers van de Universiteit van Oregon hebben ontdekt dat kolonies gelatineuze zeedieren in gigantische kurkentrekkervormen door de oceaan zwemmen met behulp van gecoördineerde straalaandrijving, een ongebruikelijke vorm van voortbeweging die nieuwe ontwerpen voor efficiënte onderwatervoertuigen zou kunnen inspireren.
Het onderzoek omvat salpen, kleine wezens die lijken op kwallen en die een nachtelijke reis maken van de diepten van de oceaan naar de oppervlakte. Het observeren van deze migratie met speciale camera's hielp UO-onderzoekers en hun collega's het sierlijke, gecoördineerde zwemgedrag van het macroplankton vast te leggen.
"De grootste migratie op aarde vindt elke nacht plaats:de verticale migratie van planktonorganismen van de diepzee naar de oppervlakte", zegt Kelly Sutherland, universitair hoofddocent biologie aan het Oregon Institute of Marine Biology van de UO, die het onderzoek leidde. "Ze lopen elke dag een marathon met behulp van nieuwe vloeistofmechanica. Deze organismen kunnen platforms zijn voor inspiratie voor het bouwen van robots die efficiënt de diepzee doorkruisen."
De bevindingen van de onderzoekers werden op 15 mei gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances . Bij het onderzoek werd samengewerkt met het Louisiana Universities Marine Consortium, University of South Florida, Roger Williams University, Marine Biological Laboratory en Providence College.
Ondanks dat ze op kwallen lijken, zijn salpen tonvormige, waterige macroplankton die nauwer verwant zijn aan gewervelde dieren zoals vissen en mensen, zei Alejandro Damian-Serrano, adjunct-professor in de biologie aan de UO. Ze leven ver van de kust en kunnen als solitaire individuen leven of in koloniën opereren, zei hij. Kolonies bestaan uit honderden individuen die met elkaar verbonden zijn in ketens die wel enkele meters lang kunnen zijn.
"Salpen zijn echt rare dieren", zei Damian-Serrano. "Hoewel hun gemeenschappelijke voorouder bij ons er waarschijnlijk uitzag als een kleine vis zonder been, verloor hun afstamming veel van deze kenmerken en versterkte andere. De solitaire individuen gedragen zich als dit moederschip dat aseksueel een keten van individuele klonen voortbrengt, samengevoegd om een kolonie te produceren. "
Maar het meest unieke aan deze oceaandieren werd ontdekt tijdens de oceaanexpedities van de onderzoekers:hun zwemtechnieken.
Tijdens een onderzoek voor de kust van Kailua-Kona, Hawaï, ontwikkelden Sutherland en haar team gespecialiseerde 3D-camerasystemen om hun laboratorium onder water te brengen. Ze voerden overdag duikduiken uit, "ondergedompeld in oneindig blauw", zoals Damian-Serrano beschreef, voor onderzoek met hoge zichtbaarheid.
Ze voerden ook nachtduiken uit, waarbij de zwarte achtergrond contrastrijke beelden van de transparante beestjes mogelijk maakte. Ze kwamen een enorme stroom verschillende salpen tegen die hun nachtelijke migratie naar de oppervlakte deden – en veel fotobomberende haaien, inktvissen en schaaldieren, merkte Sutherland op.
Door middel van beeldvorming en opnames merkten de onderzoekers twee manieren van zwemmen op. Waar kortere kolonies rond een as draaiden, als een spiraalvormige voetbal, knikten en kronkelden langere kettingen als een kurkentrekker. Dat heet spiraalvormig zwemmen.
Spiraalvormig zwemmen is niets nieuws in de biologie, zei Sutherland. Veel micro-organismen draaien en draaien ook door water, maar de mechanismen achter de beweging van de salpen zijn anders. Microben verslaan water met haarachtige uitsteeksels of staartzwepen, maar salpen zwemmen via straalaandrijving, zei Sutherland. Ze hebben samentrekkende spierbanden, zoals die in de menselijke keel, die water pompen dat aan de ene kant van het lichaam wordt gezogen en aan de andere kant naar buiten spuit om stuwkracht te creëren, zei Damian-Serrano.
De onderzoekers merkten ook dat individuele jets op verschillende tijdstippen samentrokken, waardoor de hele kolonie gestaag en zonder pauzes kon reizen. De jets stonden ook onder een hoek, wat bijdroeg aan het draaien en spoelen, zei Sutherland.
"Mijn eerste reactie was er eigenlijk één van verwondering en ontzag", zei ze. "Ik zou hun beweging omschrijven als slangachtig en sierlijk. Ze hebben meerdere eenheden die op verschillende tijdstippen pulseren, waardoor een hele ketting ontstaat die heel soepel beweegt. Het is echt een prachtige manier van bewegen."
Microrobots geïnspireerd door microbiële zwemmers bestaan al, zei Sutherland, maar deze ontdekking maakt de weg vrij voor ingenieurs om grotere onderwatervoertuigen te bouwen. Het zou mogelijk kunnen zijn om robots te maken die stil en minder turbulent zijn als ze worden gemodelleerd naar deze efficiënte zwemmers, zei Damian-Serrano. Een multijet-ontwerp kan ook energetisch voordelig zijn om brandstof te besparen, zei hij.
Naast microben moeten grotere organismen zoals plankton nog op deze manier worden beschreven, zei Sutherland. Met de nieuwe en innovatieve methoden van Sutherland om zeedieren te bestuderen, zouden wetenschappers tot het besef kunnen komen dat spiraalvormig zwemmen wijdverspreider is dan eerder werd gedacht.
"Het is een onderzoek dat meer vragen oproept dan antwoorden geeft", aldus Sutherland. "Er is een nieuwe manier van zwemmen die nog niet eerder is beschreven, en toen we met het onderzoek begonnen, probeerden we uit te leggen hoe het werkt. Maar we ontdekten dat er veel meer open vragen zijn, zoals wat de voordelen zijn van deze manier van zwemmen ? Hoeveel verschillende organismen draaien of kurkentrekker?"