Kwallen bestaan ​​voor ongeveer 95% uit water, waardoor ze enkele van de meest doorschijnende, delicate dieren op de planeet. Maar de overige 5% heeft belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen opgeleverd, zoals groen fluorescerend eiwit (GFP) dat nu op grote schaal door wetenschappers wordt gebruikt om genexpressie te bestuderen, en omkering van de levenscyclus die de sleutel zou kunnen zijn tot het bestrijden van veroudering. Kwallen kunnen heel goed andere, mogelijk levensveranderende geheimen, maar de moeilijkheid om ze te verzamelen heeft de studie van dergelijke 'vergeten fauna' ernstig beperkt. De bemonsteringstools waarover mariene biologen beschikken over op afstand bediende voertuigen (ROV's) zijn grotendeels ontwikkeld voor de mariene olie- en gasindustrieën, en zijn veel beter geschikt voor het grijpen en manipuleren van stenen en zwaar materieel dan gelei, vaak versnipperen ze in stukken in pogingen om ze te vangen.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe technologie ontwikkeld door onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard, John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en Baruch College van CUNY biedt een nieuwe oplossing voor dat probleem in de vorm van een ultrazachte, onderwatergrijper die hydraulische druk gebruikt om zijn fettuccini-achtige vingers voorzichtig maar stevig om een ​​enkele kwal te wikkelen, laat het dan los zonder schade aan te richten. De grijper wordt beschreven in een nieuw artikel gepubliceerd in Wetenschap Robotica .

"Onze ultrazachte grijper is een duidelijke verbetering ten opzichte van bestaande diepzeebemonsteringsapparatuur voor gelei en andere zachte wezens die anders bijna onmogelijk intact te verzamelen zijn, " zei eerste auteur Nina Sinatra, doctoraat, een voormalig afgestudeerde student aan het Wyss Institute die nu werktuigbouwkundig en materiaalkundig ingenieur is bij Google. "Deze technologie kan ook worden uitgebreid om onderwateranalysetechnieken te verbeteren en uitgebreide studie van de ecologische en genetische kenmerken van mariene organismen mogelijk te maken zonder ze uit het water te halen."

De zes "vingers" van de grijper zijn samengesteld uit dunne, platte stroken siliconen met een hol kanaal aan de binnenkant gebonden aan een laag flexibele maar stijvere polymeer nanovezels. De vingers zijn bevestigd aan een rechthoekig, 3D-geprinte plastic "palm" en, wanneer hun kanalen gevuld zijn met water, krullen in de richting van de met nanovezel gecoate zijde. De vingers oefenen elk een extreem lage hoeveelheid druk uit - ongeveer 0,0455 kPA, of minder dan een tiende van de druk van het ooglid van een mens op hun oog. Daarentegen, huidige state-of-the-art zachte marine grijpers, die worden gebruikt om delicate maar robuustere dieren te vangen dan kwallen, ongeveer 1 kPA uitoefenen.

De onderzoekers plaatsten hun ultrazachte grijper op een speciaal gemaakt handapparaat en testten het vermogen om een ​​kunstmatige siliconenkwal in een watertank te grijpen om de positionering en precisie te bepalen die nodig zijn om een ​​monster met succes te verzamelen, evenals de optimale hoek en snelheid om een ​​kwal te vangen. Daarna gingen ze verder met het echte werk in het New England Aquarium, waar ze de grijpers gebruikten om zwemmende maangelei te grijpen, gelei blubbers, en gevlekte gelei, alles over de grootte van een golfbal.

De grijper kon elke kwal met succes tegen de palm van het apparaat vangen, en de kwallen konden niet loskomen uit de greep van de vingers totdat de grijper drukloos was. De kwal vertoonde na vrijlating geen tekenen van stress of andere nadelige effecten, en de vingers konden ongeveer 100 keer openen en sluiten voordat ze tekenen van slijtage vertoonden.

"Zeebiologen hebben lang gewacht op een hulpmiddel dat de zachtheid van menselijke handen nabootst in interactie met delicate dieren zoals kwallen uit ontoegankelijke omgevingen, " zei co-auteur David Gruber, doctoraat, die hoogleraar biologie en milieuwetenschappen is aan het Baruch College, CUNY en een National Geographic Explorer. "Deze grijper maakt deel uit van een steeds groter wordende zachte robotgereedschapskist die belooft het verzamelen van onderwatersoorten gemakkelijker en veiliger te maken, die het tempo en de kwaliteit van het onderzoek naar dieren die honderden jaren onderbelicht zijn geweest aanzienlijk zouden verbeteren, waardoor we een completer beeld krijgen van de complexe ecosystemen waaruit onze oceanen bestaan."

De ultrazachte grijper is de nieuwste innovatie in het gebruik van zachte robotica voor onderwaterbemonstering, een voortdurende samenwerking tussen Gruber en Wyss Founding Core Faculty-lid Rob Wood, doctoraat die de origami-geïnspireerde RAD-sampler en multifunctionele "squishy fingers" heeft geproduceerd om een ​​breed scala aan moeilijk te vangen organismen te verzamelen, inclusief inktvissen, octopussen, sponzen, zee zwepen, koralen, en meer.

"Soft robotica is een ideale oplossing voor al lang bestaande problemen zoals deze op een groot aantal verschillende gebieden, omdat het de programmeerbaarheid en robuustheid van traditionele robots combineert met ongekende zachtheid dankzij de gebruikte flexibele materialen, " zei Hout, die de co-lead is van het Bioinspired Soft Robotics Platform van het Wyss Institute, de Charles River Professor of Engineering and Applied Sciences aan SEAS, en een National Geographic Explorer.

Het team blijft het ontwerp van de ultrazachte grijper verfijnen, en heeft tot doel studies uit te voeren die de fysiologische reactie van de kwallen op het vasthouden door de grijper evalueren, om meer definitief te bewijzen dat ze de dieren geen stress bezorgen. Wood en Gruber zijn ook co-hoofdonderzoekers van het project "Designing the Future" van het Schmidt Ocean Institute, en zullen hun verschillende onderwaterrobots verder testen tijdens een aanstaande expeditie aan boord van het onderzoeksschip Falkor in 2020.

"Bij het Wyss Institute vragen we altijd:'Hoe kunnen we dit beter maken?' Ik ben enorm onder de indruk van de vindingrijkheid en het out-of-the-box denken dat Rob Wood en zijn team hebben toegepast om een ​​reëel probleem in de open oceaan op te lossen, in plaats van in het laboratorium. Dit zou de oceaanwetenschap enorm vooruit kunnen helpen, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de Harvard Medical School, het Vascular Biology Program in het Boston Children's Hospital, en hoogleraar bio-engineering aan SEAS.