Aliens der Tiefe studieren

Kredit: Wyss-Institut an der Harvard-Universität

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Kredit: Monterey Bay Aquarium Forschungsinstitut (MBARI)

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Folding Polyhedron Sampler ermöglicht die einfache Erfassung und Freisetzung von empfindlichen Unterwasserorganismen

Der offene Ozean ist die größte und am wenigsten erforschte Umgebung auf der Erde, geschätzt, um bis zu einer Million Arten zu halten, die noch beschrieben werden müssen. Viele dieser Organismen sind jedoch weich wie Quallen, Tintenfische und Tintenfische - und sie sind schwierig zu erfassen, wenn man sie mit vorhandenen Unterwasserwerkzeugen untersucht, die sie allzu oft beschädigen oder zerstören. Ein neues Gerät, das von Forschern des Wyss Institute der Harvard University, der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und dem Radcliffe Institute for Advanced Study entwickelt wurde, fängt empfindliche Meeresbewohner in einem polyedrischen, faltbaren Gehäuse sicher ein und lässt sie unbeschadet passieren mit einem neuartigen, origami-inspirierten Design. Die Forschung wird in Science Robotics berichtet.

"Wir nähern uns diesen Tieren, als wären sie Kunstwerke: Würden wir Stücke aus der Mona Lisa herausschneiden, um sie zu studieren? Nein, wir verwenden die innovativsten verfügbaren Tools. Diese Organismen aus der Tiefsee, von denen einige Tausende von Jahren alt sind, verdienen es, mit einer ähnlichen Sanftheit behandelt zu werden, wenn wir mit ihnen interagieren ", sagte der mitwirkende Autor David Gruber, Ph.D., der 2017-2018 Radcliffe Fellow ist. National Geographic Explorer und Professor für Biologie und Umweltwissenschaften am Baruch College, CUNY.

Die Idee, Falteigenschaften auf die Unterwasser-Probensammlung anzuwenden, begann 2014, als der Erstautor Zhi Ern Teoh, Ph.D. nahm eine Vorlesung von Chuck Hoberman, MS, einem Wyss Associate Faculty Mitglied und Pierce Anderson Dozent für Design Engineering an der Harvard Graduate School of Design, über die Schaffung von Faltmechanismen durch Rechenmittel. "Ich habe in der Graduate School mit der Hand Mikroblinds entwickelt, was sehr mühsam und langwierig war, und ich fragte mich, ob es eine Möglichkeit gibt, eine flache Oberfläche mit Hilfe eines Motors in eine dreidimensionale Form zu bringen", sagte Teoh, ein ehemaliger Wyss Postdoctoral Fellow im Labor von Robert Wood, Ph.D., der heute Ingenieur bei Cooper Perkins ist.

Fellan Phillips, ein Assistenzprofessor für Ozeantechnik an der University of Rhode Island, ein Kollege des Holzlabors zu dieser Zeit, sah Teohs Entwürfe und schlug vor, sie anzupassen, um Meeresbewohner zu fangen, die bekanntermaßen schwer zu finden sind greifen Sie auf vorhandene Unterwasserausrüstung, die größtenteils für die raue Arbeit des Ozeanbergbaus und -baus bestimmt ist.

Das von Teoh gebaute Gerät besteht aus fünf identischen 3D-gedruckten Polymer- "Blütenblättern", die an einer Reihe von Drehgelenken befestigt sind, die miteinander zu einem Gerüst verbunden sind. Wenn ein einzelner Motor ein Drehmoment auf die Stelle anwendet, an der sich die Blütenblätter treffen, dreht sich die gesamte Struktur um ihre Gelenke und faltet sich zu einem hohlen Dodekaeder (wie eine zwölfeckige, fast runde Schachtel), was ihm den Namen gibt Drehbetätigter Dodekaeder (RAD). Die Faltung wird ausschließlich durch die Gestaltung der Gelenke und die Form der Blütenblätter selbst bestimmt; keine andere Eingabe ist erforderlich.

Das Team testete den RAD-Probenehmer im Mystic Aquarium in Mystic, CT und sammelte erfolgreich Mondquallen unter Wasser. Nachdem der Sampler so modifiziert wurde, dass er den Bedingungen des offenen Ozeans standhalten konnte, montierten sie ihn dann auf einem ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug (ROV), das vom Monterey Bay Aquarium Forschungsinstitut (MBARI) in Monterey, Kalifornien, USA, zur Verfügung gestellt wurde Tiefen von 500-700 m (1.600-2.300 ft) unter Verwendung des Manipulatorarms des ROV und des von Menschen gesteuerten Joysticks zum Betreiben des Probenehmers. Das Team war in der Lage, weiche Organismen wie Tintenfische und Quallen in ihren natürlichen Lebensräumen einzufangen und sie ohne Schaden freizusetzen.

"Das RAD-Sampler-Design ist perfekt für die schwierige Umgebung der Tiefsee geeignet, da die Steuerung sehr einfach ist und weniger Elemente zerbrechen können. Es ist auch modular, wenn also etwas kaputt geht, können wir einfach diesen Teil ersetzen und den Probenehmer zurück ins Wasser schicken ", sagte Teoh. "Dieses klappbare Design eignet sich auch gut für den Einsatz im Weltraum, da es in der Tiefsee sehr unwirtlich ist und daher jedes Gerät anspruchsvoll ist."

Teoh und Phillips arbeiten derzeit an einer robusteren Version des RAD-Probenehmers für den Einsatz in schwereren Unterwasser-Aufgaben, wie der Meeresgeologie, während Gruber und Wood sich darauf konzentrieren, die empfindlicheren Fähigkeiten des Probenehmers weiter zu verfeinern. "Wir möchten dem Sampler Kameras und Sensoren hinzufügen, damit wir in Zukunft ein Tier fangen, viele Daten über seine Größe, Materialeigenschaften und sogar sein Genom sammeln und dann loslassen können. fast wie eine Unterwasser-Entführung ", sagte Gruber.

"Die Zusammenarbeit unserer Gruppe mit der Meeresbiologie hat die Tür für die Bereiche Soft Robotics und Origami-inspirierte Technik geöffnet, um diese Technologien zur Lösung von Problemen in einer ganz anderen Disziplin anzuwenden, und wir sind gespannt, wie diese Synergie entsteht neuartige Lösungen ", sagte Wood, der ein Mitglied der Founding Core Faculty des Wyss Institute, der Charles River Professor für Ingenieurwesen und angewandte Wissenschaften an der SEAS, und auch ein National Geographic Explorer ist.

"Die interdisziplinäre Zusammenarbeit ist ein entscheidendes Merkmal des Wyss-Instituts, und diese Arbeit zeigt beispielhaft, wie neue Innovationen entstehen können, wenn Wissenschaftler aus den unterschiedlichsten Bereichen miteinander kommunizieren", sagte Don Ingber, MD, Ph.D., der Gründungsdirektor von das Wyss Institute, das auch der Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der Harvard Medical School und dem Vascular Biology Program am Boston Children's Hospital ist, sowie ein Professor für Bioengineering an der SEAS.

Phillips ist derzeit Assistant Professor für Ocean Engineering an der Universität von Rhode Island. Weitere Autoren des Artikels sind Kaitlyn Becker, Griffin Whittredge und James Weaver, Ph.D. vom Wyss Institute und SEAS.

Diese Forschung wurde von der National Science Foundation und der National Academy of Sciences unterstützt.