Imitar la natación del krill para construir una plataforma robótica para la navegación oceánica

Imitar la natación del krill para construir una plataforma robótica para la navegación oceánica

Pleobot es una pequeña plataforma robótica que emula la natación similar al krill. Fuente: Laboratorio Wilhelmus.

Imagine una red de robots autónomos e interconectados que trabajan juntos en un baile coordinado para navegar en el entorno oceánico completamente negro mientras realizan investigaciones científicas 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 esbozado los importantes primeros pasos en la construcción de este tipo de robot de navegación submarina. En el estudio, los científicos presentan el diseño de una pequeña plataforma robótica llamada Pleobot, que se puede utilizar como herramienta para ayudar a los científicos a comprender un método de natación similar al krill y como base para construir pequeños robots submarinos altamente maniobrables.

Pleobot actualmente consta de tres secciones articuladas que imitan la natación similar al krill, llamada natación metacrónica. Para diseñar el Pleobot, los científicos se inspiraron en el krill, que es un destacado atleta acuático y muestra dominio de la natación, la aceleración, el frenado y los giros. En el estudio, demuestran la capacidad de Pleobot para imitar las patas del krill que nada y proporciona nuevos conocimientos sobre las interacciones fluido-estructura necesarias para mantener una natación constante hacia adelante en el krill.

Según el estudio, Pleobot tiene el potencial de ayudar a la comunidad científica a comprender cómo usar 100 millones de años de evolución para construir mejores robots de navegación oceánica.

“Los experimentos con organismos son difíciles e impredecibles”, dijo la Dra. Sara Oliveira Santos. candidato en la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal del nuevo estudio. “Pleobot nos brinda una resolución y un control incomparables para explorar todos los aspectos de la natación similar al krill que lo ayudan a maniobrar perfectamente bajo el agua. Nuestro objetivo era diseñar una herramienta integral para comprender la natación similar al krill, lo que significaba incorporar todos los detalles que hacen que el krill sea un nadador tan atlético”.

Imitar la natación del krill para construir una plataforma robótica para la navegación oceánica

Morfología y parámetros cinemáticos del pleópodo. (A) (Euphausia superba), (C) (Palaemonetes paludosus) y (E) representan los parámetros cinemáticos del camarón flotante contenido en el Pleobot que se muestra en (B), (D) y (F): α está definido como el ángulo entre el eje del cuerpo y el segmento proximal (protopodito), β es el ángulo entre el protopodito y el segmento biram distal (formado por el endopodito y el exopodito), γ ocurre durante el impacto de la fuerza cuando el exopodito y el el endopodito se separa, y ζ caracteriza la burbuja formada entre el exopodito y el endopodito. Pleobot (G) está diseñado en base a un tren de engranajes mecánicos para controlar activamente α y β mientras integra pasivamente γ. Tenga en cuenta que (C) ha sido capturado desde la parte posterior del organismo, mientras que (E) muestra un primer plano de los pleópodos desde un lado (como en A). Préstamo: Informes científicos (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-36185-2

Este 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.

El objetivo principal del proyecto es comprender cómo los nadadores metacrónicos como el krill pueden funcionar en entornos marinos complejos y realizar migraciones verticales masivas de más de 1.000 metros, el equivalente a apilar tres edificios Empire State, 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. “Hemos construido y programado un robot que imita con precisión los movimientos básicos de las piernas para realizar movimientos específicos y remodelar los apéndices. Esto nos permite estudiar diferentes configuraciones para tomar medidas y hacer comparaciones que de otro modo no se pueden obtener con animales vivos”.

La técnica de natación metacrónica puede conducir a una notable maniobrabilidad, que el krill a menudo exhibe extendiendo secuencialmente sus patas de natación en un movimiento similar al de una ola de atrás hacia adelante. Los científicos creen que, en el futuro, los sistemas de enjambre móviles podrían usarse para mapear los océanos de la Tierra, participar en misiones de exploración y recuperación cubriendo grandes áreas o enviarse a lunas del sistema solar como Europa para explorar sus océanos.

“Las agregaciones de krill son un ejemplo perfecto de enjambres en la naturaleza: consisten en organismos aerodinámicos que viajan hasta un kilómetro en cada sentido, con una excelente maniobrabilidad bajo el agua”, dijo Wilhelmus. “Este estudio es el punto de partida para nuestro objetivo de investigación a largo plazo de desarrollar una nueva generación de vehículos autónomos de detección subacuática. Comprender las interacciones fluido-estructura a nivel de los anexos nos permitirá tomar decisiones informadas sobre diseños futuros”.

Los científicos pueden controlar activamente los dos segmentos de las patas y controlar pasivamente las aletas birámicas de Pleobot. Se cree que es la primera plataforma en recrear el movimiento de apertura y cierre de estas aletas. La construcción de la plataforma robótica fue un proyecto de varios años en el que participó un equipo multidisciplinario que se ocupaba de la mecánica de fluidos, la biología y la mecatrónica.

Los investigadores construyeron su modelo a 10 veces la escala del krill, que suele ser del tamaño de un clip. La plataforma se compone principalmente de piezas imprimibles en 3D, y el diseño está abierto al público, 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 un estudio publicado, el grupo revela la respuesta a uno de los muchos mecanismos de natación desconocidos del krill: cómo generan sustentación para evitar que se hundan 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, aún necesitan generar algo de sustentación, incluso mientras nadan hacia adelante, para poder mantenerse a la misma altura en el agua, dijo Oliveira Santos.

“Pudimos descubrir este mecanismo usando un robot”, dijo Yunxing Su, un científico de laboratorio. “Hemos identificado un efecto importante del área de baja presión en la parte posterior de las piernas que nadan que contribuye al aumento de la sustentación durante el golpe de potencia de las piernas en movimiento”.

En los próximos años, los investigadores esperan aprovechar este éxito inicial y continuar construyendo y probando los diseños presentados en el documento. 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.

Más información:
Sara Oliveira Santos et al., Pleobot: una solución robótica modular para la natación metacrónica, Informes científicos (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-36185-2

Proporcionado por la Universidad de Brown


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