Imagine una red de robots autónomos interconectados que trabajan juntos en un baile coordinado para navegar por los alrededores oscuros del océano mientras realizan estudios científicos o misiones de búsqueda y rescate.
En un nuevo estudio publicado en Informes científicos, un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Brown ha presentado importantes primeros pasos en la construcción de este tipo de robots de navegación submarina. En el estudio, los investigadores describen el diseño de una pequeña plataforma robótica llamada Pleobot que puede servir como herramienta para ayudar a los investigadores a comprender el método de natación similar al krill y como base para construir pequeños robots submarinos altamente maniobrables.
Pleobot actualmente está hecho de tres secciones articuladas que replican la natación similar al krill llamada natación metacronal. Para diseñar Pleobot, los investigadores se inspiraron en el krill, que es un atleta acuático notable y muestra un dominio de la natación, la aceleración, el frenado y los giros. Demuestran en el estudio las capacidades de Pleobot para emular las patas del krill nadando y proporcionan nuevos conocimientos sobre las interacciones fluido-estructura necesarias para mantener la natación constante hacia adelante en el krill.
Según el estudio, Pleobot tiene el potencial de permitir que la comunidad científica comprenda cómo aprovechar 100 millones de años de evolución para diseñar mejores robots para la navegación oceánica.
«Los experimentos con organismos son desafiantes e impredecibles», dijo Sara Oliveira Santos, Ph.D. candidato en la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal del nuevo estudio. «Pleobot nos permite una resolución y un control incomparables para investigar todos los aspectos de la natación similar al krill que lo ayudan a sobresalir en maniobrar bajo el agua. Nuestro objetivo era diseñar una herramienta integral para comprender la natación similar al krill, lo que significaba incluir todos los detalles que hacen que el krill nadadores tan atléticos».
El esfuerzo es una colaboración entre los investigadores de Brown en el laboratorio de la Profesora Asistente de Ingeniería Mónica Martínez Wilhelmus y los científicos en el laboratorio de Francisco Cuenca-Jimenez en la Universidad Nacional Autónoma de México.
Un objetivo principal del proyecto es comprender cómo los nadadores metacrónicos, como el krill, se las arreglan para funcionar en entornos marinos complejos y realizar migraciones verticales masivas de más de 1.000 metros, el equivalente a apilar tres Empire State Buildings, dos veces al día.
«Tenemos instantáneas de los mecanismos que utilizan para nadar de manera eficiente, pero no tenemos datos completos», dijo Nils Tack, asociado postdoctoral en el laboratorio de Wilhelmus. «Construimos y programamos un robot que emula con precisión los movimientos esenciales de las piernas para producir movimientos específicos y cambiar la forma de los apéndices. Esto nos permite estudiar diferentes configuraciones para tomar medidas y hacer comparaciones que de otro modo no se podrían obtener con animales vivos».
La técnica de natación metacronal puede conducir a una notable maniobrabilidad que el krill muestra con frecuencia a través del despliegue secuencial de sus patas de natación en un movimiento similar a una ola de adelante hacia atrás. Los investigadores creen que, en el futuro, los sistemas de enjambre desplegables se pueden usar para cartografiar los océanos de la Tierra, participar en misiones de búsqueda y recuperación cubriendo grandes áreas o enviarse a lunas del sistema solar, como Europa, para explorar sus océanos. .
«Las agregaciones de krill son un excelente ejemplo de enjambres en la naturaleza: están compuestos por organismos con un cuerpo aerodinámico, que viajan hasta un kilómetro en cada sentido, con una excelente maniobrabilidad bajo el agua», dijo Wilhelmus. «Este estudio es el punto de partida de nuestro objetivo de investigación a largo plazo de desarrollar la próxima generación de vehículos autónomos de detección subacuática. Poder comprender las interacciones fluido-estructura a nivel de apéndice nos permitirá tomar decisiones informadas sobre diseños futuros».
Los investigadores pueden controlar activamente los dos segmentos de las patas y tener un control pasivo de las aletas birrámicas de Pleobot. Se cree que esta es la primera plataforma que replica el movimiento de apertura y cierre de estas aletas. La construcción de la plataforma robótica fue un proyecto de varios años que involucró a un equipo multidisciplinario en mecánica de fluidos, biología y mecatrónica.
Los investigadores construyeron su modelo a una escala 10 veces mayor que la del krill, que suele ser del tamaño de un clip. La plataforma está hecha principalmente de partes imprimibles en 3D y el diseño es de acceso abierto, lo que permite que otros equipos usen Pleobot para continuar respondiendo preguntas sobre la natación metacrónica no solo para el krill sino también para otros organismos como las langostas.
En el estudio publicado, el grupo revela la respuesta a uno de los muchos mecanismos desconocidos de la natación del krill: cómo generan sustentación para no hundirse mientras nadan hacia adelante. Si el krill no nada constantemente, comenzará a hundirse porque es un poco más pesado que el agua. Para evitar esto, todavía tienen que crear algo de sustentación incluso mientras nadan hacia adelante para poder permanecer a la misma altura en el agua, dijo Oliveira Santos.
«Pudimos descubrir ese mecanismo usando el robot», dijo Yunxing Su, asociado postdoctoral en el laboratorio. «Identificamos un efecto importante de una región de baja presión en la parte posterior de las piernas que nadan que contribuye a la mejora de la fuerza de sustentación durante el golpe de potencia de las piernas en movimiento».
En los próximos años, los investigadores esperan aprovechar este éxito inicial y seguir construyendo y probando los diseños presentados en el artículo. Actualmente, el equipo está trabajando para integrar las características morfológicas de los camarones en la plataforma robótica, como la flexibilidad y las cerdas alrededor de los apéndices.
El trabajo fue parcialmente financiado por una subvención semilla EPSCoR de Rhode Island de la NASA.
