Doomsday fish: Το μυστηριώδες ψάρι τπου δίνει στους επιστήμονες το κλειδί για αθόρυβα υποβρύχια ρομπότ

Η φύση αποτελεί εδώ και εκατομμύρια χρόνια ένα τεράστιο «εργαστήριο» για την εξέλιξη και πλέον προσφέρει πολύτιμες ιδέες και στη ρομποτική. Στο Cornell, ο καθηγητής μηχανικής Ρομπ Σέπαρντ στράφηκε σε ένα από τα πιο ασυνήθιστα πλάσματα των βαθιών θαλασσών, το οφιοειδές ψάρι (oarfish), προκειμένου να αναπτύξει ένα μεγάλο υποβρύχιο ρομπότ που θα μπορεί να παρακολουθεί την κατάσταση των ωκεανών χωρίς να τρομάζει ή να ενοχλεί τη θαλάσσια ζωή.

Στο επίκεντρο της έρευνας βρέθηκε ο τρόπος με τον οποίο κινείται το συγκεκριμένο ψάρι, το οποίο θεωρείται το μακρύτερο οστεώδες ψάρι που ζει σήμερα. Η μελέτη του μηχανισμού κίνησής του μπορεί να οδηγήσει σε μια νέα μορφή βιομιμητικής πρόωσης, ικανή να δημιουργεί ομαλή στρωτή ροή στο νερό και να επιτρέπει αθόρυβη χαρτογράφηση του βυθού και μακροχρόνια παρακολούθηση των θαλάσσιων οικοσυστημάτων.

Ένας «αόρατος» παρατηρητής κάτω από το νερό

Οι συμβατικές προπέλες των πλοίων παράγουν έντονο θόρυβο κάτω από την επιφάνεια, με αποτέλεσμα τα ψάρια και άλλα θαλάσσια ζώα να απομακρύνονται. Για την ανάπτυξη μιας αθόρυβης πλατφόρμας παρακολούθησης των ωκεανών, στο πλαίσιο έρευνας για το Office of Naval Research, ο Σέπαρντ αναζήτησε έναν διαφορετικό τρόπο πρόωσης.

Η απάντηση βρέθηκε στο παράξενο, κορδελοειδές oarfish, το οποίο μπορεί να φτάσει σε μήκος τα 26 πόδια και είναι επίσης γνωστό ως «doomsday fish».

Σε αντίθεση με πολλά μακρόστενα θαλάσσια ζώα, τα οποία κινούν ολόκληρο το σώμα τους με κινήσεις που θυμίζουν χέλι, το συγκεκριμένο ψάρι διατηρεί σχεδόν ακίνητο τον κορμό του. Για να κινηθεί, χρησιμοποιεί αποκλειστικά ένα ενιαίο, συνεχές ραχιαίο πτερύγιο, το οποίο του επιτρέπει να κινείται αθόρυβα τόσο προς τα εμπρός όσο και προς τα πίσω.

Για να κατανοήσει πώς επιτυγχάνεται αυτή η εξαιρετικά αθόρυβη και ελεγχόμενη κίνηση, ο Σέπαρντ συνεργάστηκε με τον συνταξιούχο ιχθυολόγο του Cornell, Γουίλι Μπέμις.

Οι εξετάσεις που αποκάλυψαν τον μηχανισμό

Η μελέτη ενός ακέραιου oarfish παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες, καθώς μετά τον θάνατό του το σώμα του συνήθως διαλύεται σε εύθραυστα τμήματα. Για τον λόγο αυτό, οι ερευνητές χρειάστηκε να συνδυάσουν διαφορετικές μεθόδους, μεταξύ των οποίων αξονικές τομογραφίες, ακτινογραφίες που προήλθαν από το Smithsonian Institution, αλλά και λεπτομερείς ανατομικές αναλύσεις.

Με αυτόν τον τρόπο κατάφεραν να εξετάσουν τον μηχανισμό που κρύβεται πίσω από τη μακριά ραχιαία ακμή του ψαριού και να αποκαλύψουν έναν ιδιαίτερα σύνθετο φυσικό μηχανισμό πρόωσης.

Κατά μήκος της ράχης του βρίσκονται εκατοντάδες μεμονωμένες οστέινες ακτίνες πτερυγίων. Κάθε μία συνδέεται με εξειδικευμένες αρθρώσεις τύπου σφαιρικής άρθρωσης, λειτουργώντας ουσιαστικά σαν μικροσκοπικά «joysticks» κατανεμημένα σε όλο το μήκος της ράχης.

Κάθε ακτίνα διαθέτει το δικό της σύστημα μυών και χόνδρων, γεγονός που της προσφέρει τη δυνατότητα περιστροφής κατά 360 μοίρες. Παράλληλα, η συνδετική μεμβράνη μπορεί να μεταδίδει κύματα πρόωσης προς αντίθετες κατευθύνσεις ταυτόχρονα.

Αυτός ο μηχανισμός προσφέρει στο oarfish εξαιρετικά λεπτομερή έλεγχο της κίνησής του. Το ψάρι μπορεί να αλλάζει άμεσα ταχύτητα και κατεύθυνση, χωρίς να χρειάζεται να μεταβάλλει τη στάση ή να λυγίζει τον κορμό του.

Από την εξέλιξη στη ρομποτική

Η κολύμβηση μέσω ενός πτερυγίου που μοιάζει με κορδέλα έχει εμφανιστεί ανεξάρτητα κατά τη διάρκεια της εξέλιξης περίπου δέκα φορές σε οστεώδη ψάρια. Ωστόσο, η συγκεκριμένη έρευνα αποτελεί την πρώτη μελέτη που καταγράφει σε αυτό το είδος τις περιστρεφόμενες ακτίνες πτερυγίων, οι οποίες λειτουργούν με τρόπο αντίστοιχο με χειριστήρια τύπου joystick.

Οι μηχανικοί επιχειρούν πλέον να μετατρέψουν αυτά τα βιολογικά χαρακτηριστικά σε τεχνολογικές εφαρμογές. Η ομάδα του Σέπαρντ θέλει να αξιοποιήσει τον τρόπο με τον οποίο το oarfish ελέγχει τη ροή και την κίνησή του, ώστε να κατασκευάσει μεγάλες και αθόρυβες ρομποτικές πλατφόρμες παρακολούθησης.

Στόχος είναι τα συγκεκριμένα ρομπότ να μπορούν να καταγράφουν την κατάσταση ευαίσθητων θαλάσσιων οικοσυστημάτων χωρίς να προκαλούν αναστάτωση στα ζώα που ζουν σε αυτά, όπως αναφέρει το interestingengineering.

Η βιομιμητική, δηλαδή η αξιοποίηση μηχανισμών που έχουν εξελιχθεί στη φύση για την επίλυση τεχνολογικών προβλημάτων, προσφέρει στους ερευνητές σχέδια τα οποία έχουν ουσιαστικά δοκιμαστεί επί εκατομμύρια χρόνια. Οι φυσικοί μηχανισμοί μπορούν να αποτελέσουν πρότυπα για αποδοτικότερη πρόωση, μηχανικές κατασκευές με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας αλλά και συστήματα που προσαρμόζονται στις μεταβαλλόμενες συνθήκες.

Από το oarfish στις σαύρες που «σκαρφαλώνουν» σε τοίχους

Η αξιοποίηση της φύσης στη ρομποτική δεν περιορίζεται στη θαλάσσια κίνηση. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα προέρχεται από τα γκέκο, τα οποία μπορούν να ανεβαίνουν σε κατακόρυφες και λείες επιφάνειες χωρίς κόλλα ή βεντούζες.

Η ικανότητά τους αυτή οφείλεται στις μικροσκοπικές τρίχες που βρίσκονται στα πέλματά τους. Οι συγκεκριμένες μικροδομές δημιουργούν δυνάμεις van der Waals σε μοριακό επίπεδο, επιτρέποντας στα πέλματα να προσκολλώνται στις επιφάνειες που αγγίζουν.

Ερευνητές ρομποτικής του Stanford αξιοποίησαν την ίδια αρχή για την κατασκευή του Stickybot, ενός ρομπότ αναρρίχησης με συνθετικά πέλματα που βασίζονται στη δομή των δακτύλων του γκέκο.

Το ειδικό υλικό επιτρέπει στους ρομποτικούς βραχίονες να προσκολλώνται με ασφάλεια σε γυαλί, λείες επιφάνειες και εξοπλισμό που χρησιμοποιείται στο Διάστημα, χωρίς να αφήνουν πίσω τους κολλώδη χημικά κατάλοιπα.