Ingenieurs van Caltech en Stanford University hebben een kleine prothese ontwikkeld waarmee kwallen sneller en efficiënter kunnen zwemmen dan normaal. zonder de dieren te belasten. De onderzoekers achter het project stellen zich een toekomst voor waarin kwallen die zijn uitgerust met sensoren kunnen worden gestuurd om informatie over de oceaan te verkennen en vast te leggen.

Kwallen gebruiken een pulserende beweging om zichzelf voort te stuwen, zwiepend met hun tentakels terwijl ze zich verplaatsen om een ​​prooi te vangen. De nieuwe prothese gebruikt elektrische impulsen om dat pulserende, vergelijkbaar met de manier waarop een pacemaker de hartslag regelt. Het apparaat, die neutraal drijft in water, is ongeveer twee centimeter in diameter en is via een kleine houten weerhaak aan het lichaam van de kwal bevestigd.

Het onderzoek, geleid door John Dabiri van Caltech (MS '03, doctoraat '05), Honderdjarig hoogleraar Luchtvaart en Werktuigbouwkunde, en Stanford-afgestudeerde student Nicole Xu - werd gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang op 29 januari.

Typisch, kwallen zwemmen met een snelheid van ongeveer twee centimeter per seconde. Hoewel ze in staat zijn om sneller te bewegen, dit helpt hen niet bij het verstrikken van prooien, hun typische reden voor het gebruik van de tentakel-zwaaiende "zwemmende" beweging.

In het onderzoek dat in het artikel wordt beschreven, Dabiri, Xu, en collega's rustten kwallen uit met een micro-elektronische controller die drie keer sneller pulseerde dan de gebruikelijke lichaamspulsen van de dieren. Het pulseren van de dieren versnelde, het produceren van een overeenkomstige verhoging van hun zwemsnelheid tot ongeveer 4-6 centimeter per seconde.

Naast het sneller maken van de kwal, de elektrische schokken zorgden er ook voor dat ze efficiënter konden zwemmen. Hoewel de kwallen drie keer sneller zwommen dan hun gebruikelijke tempo, ze gebruikten daarvoor slechts twee keer zoveel energie (gemeten aan de hoeveelheid zuurstof die de dieren tijdens het zwemmen verbruiken). In feite, de met prothese uitgeruste kwallen waren meer dan 1, 000 keer efficiënter dan zwemmende robots, zegt Xu.

"We hebben aangetoond dat ze veel sneller kunnen bewegen dan ze normaal doen, zonder onnodige kosten voor hun metabolisme, " zegt Xu. "Dit onthult dat kwallen een onaangeboord vermogen hebben om sneller, efficiënter zwemmen. Meestal hebben ze daar gewoon geen reden voor."

Opgemerkt moet worden dat de kwallen nauwlettend werden gevolgd om er zeker van te zijn dat ze niet werden geschaad. Kwallen hebben geen hersenen of pijnreceptoren, maar het is gebleken dat ze slijm afscheiden als ze gestrest zijn, en een dergelijke afscheiding werd in dit experiment niet waargenomen. In aanvulling, de kwal ging weer normaal zwemmen zodra de prothese was verwijderd.

Het onderzoek vertegenwoordigt een "middenweg" tussen twee aderen van bio-geïnspireerd roboticawerk waar Dabiri het afgelopen decennium bij betrokken is geweest, zowel bij Caltech als Stanford. De ene omvat het gebruik van puur mechanische componenten en de andere puur biologische materialen.

Met puur mechanische systemen, Dabiri heeft succes gehad met het bouwen van robots die eruitzien als echte dieren, maar die veel meer energie nodig hebben om dezelfde taken uit te voeren. "We hebben de elegantie van biologische systemen nog niet vastgelegd, " merkt hij op. Echter, hoewel ze eleganter zijn dan robots, puur biologische systemen zijn een stuk kwetsbaarder. Inderdaad, in samenwerking met collega's van Harvard University, Dabiri heeft aangetoond dat cellen van hartratten kunnen reageren op elektrische velden - wat ze potentieel bruikbare bouwstenen voor biologische apparaten maakt - maar de cellen overleven alleen onder laboratoriumomstandigheden.

De poging om mechanische controles toe te voegen aan kwallen begon in 2013 bij Caltech toen Xu een student was die een Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) deed in het laboratorium van Dabiri. Dabiri was geïnteresseerd in het gebruik van kwallen voor oceaanonderzoek en -waarneming vanwege hun overvloed:de soorten die in de huidige experimenten worden gebruikt, zijn overal in de oceanen van de aarde te vinden, op diepten variërend van het oppervlak tot de bodem van diepe greppels.

"Slechts een klein deel van de oceaan is onderzocht, dus we willen profiteren van het feit dat kwallen al overal zijn om een ​​sprong te maken van metingen op schepen, die vanwege hun hoge kosten in aantal beperkt zijn, ', zegt Dabiri. 'Als we een manier kunnen vinden om deze kwallen te richten en ze ook uit te rusten met sensoren om dingen als oceaantemperatuur te volgen, zoutgehalte, zuurstof niveaus, enzovoort, we zouden een echt wereldwijd oceaannetwerk kunnen creëren waar elk van de kwallenrobots een paar dollar kost om te instrumenteren en zichzelf energie te geven van prooien die zich al in de oceaan bevinden."

Momenteel, de prothese kan kwallen aansturen om te gaan zwemmen en het tempo te regelen. De volgende stap zal zijn om een ​​systeem te ontwikkelen dat de kwallen in specifieke richtingen leidt en waarmee ze kunnen reageren op signalen van sensoren aan boord, zegt Dabiri, die hoopt nog kleinere elektronische besturingen te ontwikkelen die volledig in het weefsel van de kwal kunnen worden ingebed, waardoor ze permanente maar onopgemerkte protheses worden.

De studie is getiteld "Low-power micro-elektronica ingebed in levende kwallen verbeteren de voortstuwing."