Onderwaterrobots die zijn ontwikkeld door onderzoekers van Scripps Institution of Oceanography aan de University of California San Diego, bieden wetenschappers een buitengewoon nieuw hulpmiddel om oceaanstromingen en de kleine wezens die ze vervoeren te bestuderen. Zwermen van deze onderwaterrobots hielpen bij het beantwoorden van enkele fundamentele vragen over de meest voorkomende levensvormen in de oceaan:plankton.

Scripps research oceanograaf Jules Jaffe ontwierp en bouwde de miniatuur autonome onderwaterverkenners, of M-AUE's, om kleinschalige milieuprocessen in de oceaan te bestuderen. De instrumenten voor het onderzoeken van de oceaan zijn uitgerust met temperatuur- en andere sensoren om de omringende oceaanomstandigheden te meten, terwijl de robots op en neer "zwemmen" om een ​​constante diepte te behouden door hun drijfvermogen aan te passen. De M-AUE's kunnen mogelijk worden ingezet in zwermen van honderden tot duizenden om een ​​driedimensionaal beeld te krijgen van de interacties tussen oceaanstromingen en het leven in zee.

In een nieuwe studie gepubliceerd in het 24 januari nummer van het tijdschrift Natuurcommunicatie , Jaffe en Scripps, de biologische oceanograaf Peter Franks, zette een zwerm van 16 grapefruitgrote onderwaterrobots in, geprogrammeerd om het onderwaterzwemgedrag van plankton na te bootsen. de microscopisch kleine organismen die met de oceaanstromingen meedrijven. De onderzoeksstudie was bedoeld om theorieën te testen over hoe plankton dichte plekken vormt onder het oceaanoppervlak, die zich later vaak aan de oppervlakte openbaren als rode getijden.

"Deze patches kunnen werken als planktonische singles-staven, " zei Franken, die al lang vermoedde dat de dichte aggregaties zouden kunnen helpen bij het voeden, reproductie, en bescherming tegen roofdieren.

Twee decennia geleden publiceerde Franks een wiskundige theorie die voorspelde dat zwemmend plankton dichte plekken zou vormen als het door interne golven wordt voortgeduwd - gigantische, langzaam bewegende golven onder het oceaanoppervlak. Om zijn theorie te testen, zou het nodig zijn om de bewegingen van individueel plankton te volgen - elk kleiner dan een rijstkorrel - terwijl ze in de oceaan zwommen, wat met de beschikbare technologie niet mogelijk is.

Jaffe vond in plaats daarvan "robotplankton" uit dat met de oceaanstromingen meedrijft, maar zijn geprogrammeerd om op en neer te bewegen door hun drijfvermogen aan te passen, het nabootsen van de bewegingen van plankton. Een zwerm van dit robotachtige plankton was het ideale hulpmiddel om Franks' wiskundige theorie eindelijk op de proef te stellen.

"De grote technische doorbraken waren om de M-AUE's klein te maken, goedkoop, en kan continu onder water worden gevolgd, " zei Jaffe. Door de lage kosten konden Jaffe en zijn team een ​​klein leger van robots bouwen die in een zwerm konden worden ingezet.

Het volgen van de individuele M-AUE's was een uitdaging, aangezien GPS niet onder water werkt. Een belangrijk onderdeel van het project was de ontwikkeling door onderzoekers van het Qualcomm Institute en Department of Computer Science and Engineering van UC San Diego van wiskundige technieken om akoestische signalen te gebruiken om de M-AUE-voertuigen te volgen terwijl ze onder water waren.

Tijdens een experiment van vijf uur de Scripps-onderzoekers samen met UC San Diego-collega's een zwerm met een diameter van 300 meter (984 voet) van 16 M-AUE's, geprogrammeerd om 10 meter (33 voet) diep in de oceaan voor de kust van Torrey Pines te blijven, in de buurt van La Jolla, Calif. De M-AUE's pasten constant hun drijfvermogen aan om verticaal te bewegen tegen de stroming in die door de interne golven werd gecreëerd. De driedimensionale locatie-informatie die elke 12 seconden werd verzameld, onthulde waar deze robotzwerm zich onder het oceaanoppervlak bewoog.

De resultaten van het onderzoek waren bijna identiek aan wat Franks voorspelde. De temperatuur van de omringende oceaan fluctueerde toen de interne golven door de M-AUE-zwerm gingen. En, zoals voorspeld door Franks, de M-AUE-locatiegegevens toonden aan dat de zwerm een ​​dicht opeengepakte patch vormde in het warme water van de interne golftroggen, maar verspreid over de golftoppen.

"Dit is de eerste keer dat een dergelijk mechanisme onder water is getest, " zei Franks. Het experiment hielp de onderzoekers bevestigen dat vrij zwevend plankton de fysieke dynamiek van de oceaan - in dit geval interne golven - kan gebruiken om hun concentraties te verhogen om samen te komen in zwermen om hun fundamentele levensbehoeften te vervullen.

"Deze zwermgevoelige benadering opent een heel nieuw rijk van oceaanverkenning, " zei Jaffe. Door de M-AUE's met camera's te vergroten, kunnen koraalhabitats fotografisch in kaart worden gebracht, of "plankton-selfies, ’ aldus Jaffe.

Het onderzoeksteam hoopt nog honderden miniatuurrobots te kunnen bouwen om de beweging van larven tussen beschermde mariene gebieden te bestuderen, monitor schadelijke rode vloedbloei, en om olielozingen op te sporen. De hydrofoons aan boord die helpen de M-AUE's onder water te volgen, kunnen de zwerm ook in staat stellen zich als een gigantisch "oor" in de oceaan te gedragen, luisteren naar en lokaliseren van omgevingsgeluiden in de oceaan.

Jaffe, Franken, en hun collega's kregen in 2009 bijna $ 1 miljoen van de National Science Foundation om het nieuwe ras van oceaansonde-instrumenten te ontwikkelen en te testen. De co-auteurs van de studie zijn:Paul Roberts, hoofdontwikkelingsingenieur bij Scripps, Ryan Kastner, hoogleraar bij de afdeling Computer Science and Engineering; Diba Mirza, postdoctoraal onderzoeker in de informatica; en Curt Schurgers, hoofdontwikkelingsingenieur bij het Qualcomm Institute, en Scripps-stagiair Adrien Boch.