Construyen medusas biónicas para la exploración oceánica
Las medusas no pueden hacer mucho más que nadar, picar, comer y reproducirse. Ni siquiera tienen cerebro. Sin embargo, estas simples criaturas pueden viajar fácilmente a las profundidades de los océanos de una manera que los humanos, a pesar de toda nuestra sofisticación, no podemos.
Pero, ¿Qué pasaría si los humanos pudiéramos hacer que las medusas exploraran por nosotros los océanos y nos informaran de lo que encuentran?
Una nueva investigación realizada en Caltech tiene como objetivo hacer esto realidad mediante la creación de lo que los investigadores llaman medusas robóticas biohíbridas. Estas criaturas, que pueden considerarse como cyborgs oceánicos, complementan las medusas con dispositivos electrónicos que mejoran su natación y un "sombrero" protésico que puede transportar una pequeña carga útil y al mismo tiempo hace que las medusas naden de una manera más aerodinámica.
El trabajo se llevó a cabo en el laboratorio de John Dabiri (MS '03, PhD '05), profesor centenario de Aeronáutica e Ingeniería Mecánica, y se basa en su trabajo anterior sobre la mejora de las medusas. El objetivo de Dabiri con esta investigación es utilizar medusas como recolectores de datos robóticos, enviándolas a los océanos para recopilar información sobre la temperatura, la salinidad y los niveles de oxígeno, todos los cuales se ven afectados por el cambio climático de la Tierra.
"Es bien sabido que el océano es fundamental para determinar nuestro clima presente y futuro en la tierra y, sin embargo, todavía sabemos sorprendentemente poco sobre el océano, especialmente lejos de la superficie", dice Dabiri. "Nuestro objetivo es finalmente mover esa aguja adoptando un enfoque poco convencional inspirado en uno de los pocos animales que ya explora con éxito todo el océano".
A lo largo de su carrera, Dabiri ha buscado inspiración en el mundo natural, incluidas las medusas, para resolver problemas de ingeniería. Este trabajo comenzó con los primeros intentos del laboratorio de Dabiri de desarrollar un robot mecánico que nadara como las medusas, que tuviera el método más eficiente para viajar a través del agua que cualquier criatura viviente. Aunque su equipo de investigación logró crear un robot de este tipo, ese robot nunca fue capaz de nadar tan eficientemente como una medusa real. En ese momento, Dabiri se preguntó: ¿Por qué no trabajar simplemente con las medusas?
"Las medusas son las primeras exploradoras del océano, llegan a los rincones más profundos y prosperan igual de bien en aguas tropicales o polares", dice Dabiri. "Dado que no tienen cerebro ni la capacidad de sentir el dolor, hemos podido colaborar con expertos en bioética para desarrollar esta aplicación robótica biohíbrida de una manera que se basa en principios éticos".
Anteriormente, el laboratorio de Dabiri implantó a las medusas una especie de marcapasos electrónico que controla la velocidad a la que nadan. Al hacerlo, descubrieron que si hacían que las medusas nadaran más rápido que el ritmo pausado que normalmente mantienen, los animales se volvían aún más eficientes. Una medusa que nada tres veces más rápido de lo normal utiliza sólo el doble de energía.
Esta vez, el equipo de investigación fue un paso más allá y añadió a las medusas lo que llaman un cuerpo anterior. Estos cuerpos anteriores son como sombreros que se colocan encima de la campana de la medusa (la parte del animal con forma de hongo). Los dispositivos fueron diseñados por el estudiante de posgrado y autor principal Simon Anuszczyk (MS '22), cuyo objetivo era hacer que la medusa fuera más aerodinámica y al mismo tiempo proporcionar un lugar donde se puedan transportar sensores y otros dispositivos electrónicos.
Imagen: Mejora electromecánica de medusas vivas para la exploración oceánica
"Al igual que el extremo puntiagudo de una flecha, diseñamos cuerpos impresos en 3D para agilizar la campana del robot medusa, reducir la resistencia y aumentar el rendimiento de la natación", dice Anuszczyk. "Al mismo tiempo, experimentamos con la impresión 3D hasta que pudimos equilibrar cuidadosamente la flotabilidad y mantener a las medusas nadando verticalmente".
Para probar las habilidades de natación de las medusas aumentadas, el laboratorio de Dabiri emprendió la construcción de un enorme acuario vertical dentro del Laboratorio Guggenheim de Caltech. Dabiri explica que el tanque de tres pisos es alto, en lugar de ancho, porque los investigadores quieren recopilar datos sobre las condiciones oceánicas muy por debajo de la superficie.
"En el océano, el viaje de ida y vuelta desde la superficie hasta varios miles de metros les llevará unos días a las medusas, por lo que queríamos desarrollar una instalación para estudiar en el laboratorio ese proceso", dice Dabiri. "Nuestro tanque vertical permite a los animales nadar contra una corriente vertical que fluye, como una cinta de correr para nadadores. Esperamos que la escala única de la instalación, probablemente la primera cinta de correr acuática vertical de su tipo, sea útil para una variedad de otras preguntas de investigación básicas y aplicadas".
Imagen derecha: Una medusa biohíbrida desciende por el tanque de tres pisos en el que se realizaron las pruebas de natación. Crédito: Caltech
Las pruebas de natación realizadas en el tanque muestran que una medusa equipada con una combinación de marcapasos de natación y parte delantera puede nadar hasta 4,5 veces más rápido que una medusa totalmente natural mientras lleva una carga útil. El coste total es de unos 20 dólares por medusa, dice Dabiri, lo que convierte a las medusas biohíbridas en una atractiva alternativa al alquiler de un barco de investigación cuyo funcionamiento puede costar más de 50.000 dólares al día.
"Al utilizar la capacidad natural de las medusas para soportar presiones extremas en las profundidades del océano y su capacidad para alimentarse, nuestro desafío de ingeniería es mucho más manejable", añade Dabiri. "Todavía necesitamos diseñar el paquete de sensores para soportar las mismas aplastantes presiones, pero ese dispositivo es más pequeño que una pelota de béisbol, lo que hace que sea mucho más fácil de diseñar que un vehículo submarino completo que opere a esas profundidades. Estoy muy emocionado de ver lo que podemos aprender simplemente observando estas partes del océano por primera vez", añade.
Dabiri dice que el trabajo futuro puede centrarse en mejorar aún más las capacidades de las medusas biónicas. En este momento, sólo se puede hacer que naden más rápido en línea recta, como los caminos verticales que se están diseñando para medir las profundidades del océano. Pero investigaciones futuras también podrían hacer que sean orientables, de modo que puedan dirigirse tanto horizontal como verticalmente.
La investigación se ha publicado en la revista Bioinspiration & Biomimetics: Electromechanical enhancement of live jellyfish for ocean exploration
