Eine weiche Lösung für ein hartes Unterwasserproblem

Die Forscher wandelten ihren Drei-Finger-Manipulator in eine Zwei-Finger-Version um. (Kredit: Schmidt Ocean Institute)

Ein weicher Manipulator mit drei Fingern, der eine Seeanemone hält, die an einem Felsen auf einem harten Substrat befestigt wird. (Kredit: Schmidt Ocean Institute)

Diese vollständig in 3D gedruckte Version der Greifer enthält "Fingernägel" an den Enden der Finger, um Organismen aufzunehmen, die auf harten Oberflächen sitzen, sowie Netzverlängerungen zwischen den Fingern, um die Proben sicher zu halten. (Kredit: Wyss Institute an der Harvard University)

Eine modifizierte Version des Greifers mit nur zwei Fingern kann sowohl einen "Kraftgriff" zum Halten von großen Gegenständen als auch einen "Einklemmgriff" zum Halten kleiner Gegenstände, ähnlich einer menschlichen Hand, ausführen. (Kredit: Wyss Institute an der Harvard University)

Die Forscher verwendeten 3D-Drucker an Bord des Schiffes, um in Reaktion auf Rückmeldungen der ROV-Piloten und Biologen über Nacht neue Versionen der Greifer (orange) zu erstellen. (Kredit: Wyss Institute an der Harvard University)

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Softgreifer können an Bord von Schiffen 3D-gedruckt werden, um verschiedene Arten von Meerestieren sicher zu probieren

Der tiefe Ozean - dunkel, kalt, unter hohem Druck und luftleer - ist für den Menschen bekanntlich unwirtlich, doch wimmelt es von Organismen, die in ihrer rauen Umgebung gedeihen. Das Studium dieser Kreaturen erfordert spezielle Ausrüstung, die auf ferngesteuerten Fahrzeugen (remote operated vehicles, ROVs) angebracht ist, die diesen Bedingungen standhalten, um Proben zu sammeln. Diese Ausrüstung, die in erster Linie für die Unterwasser-Öl- und Bergbauindustrie entwickelt wurde, ist klobig, teuer und schwer zu manövrieren mit der Art von Kontrolle, die für die Interaktion mit empfindlichem Meeresleben benötigt wird. Eine empfindliche Seeschnecke mit diesen Werkzeugen vom Meeresboden zu pflücken ist dem Versuch ähnlich, eine Traube mit einer Gartenschere zu pflücken.

Jetzt hat eine multidisziplinäre Gruppe von Ingenieuren, Meeresbiologen und Robotikern ein alternatives Probenahmegerät entwickelt, das weich, flexibel und anpassungsfähig ist und es den Wissenschaftlern ermöglicht, unterschiedliche Arten von Organismen aus dem Meer zu entnehmen, ohne sie zu beschädigen das Gerät über Nacht ohne die Notwendigkeit, zu einem landgestützten Labor zurückzukehren. Die Forschung wird in PLOS One berichtet .

"Bei der Interaktion mit weichen, zarten Unterwasserlebewesen ist es am sinnvollsten, dass Ihre Probenahmegeräte weich und sanft sind", sagte Co-Autor Rob Wood, Ph.D., ein Mitglied der Founding Core Faculty des Wyss Institute auch der Charles River Professor für Ingenieurwesen und angewandte Wissenschaften an der Harvard John A. Paulson Schule für Ingenieurwesen und angewandte Wissenschaften (SEAS). "Erst in jüngster Zeit hat sich das Gebiet der Soft Robotik so weit entwickelt, dass wir Roboter bauen können, die diese Tiere zuverlässig und harmlos erfassen können."

Die "Soft-Gripper" -Geräte, die das Team entwickelt hat, haben zwei bis fünf "Finger" aus Polyurethan und anderen weichen Materialien, die sich über ein Niederdruck-Hydraulikpumpensystem öffnen und schließen, das Meerwasser als Antrieb nutzt. Die Greifer selbst sind an einer Holzkugel befestigt, die unter Verwendung der harten krallenartigen Werkzeuge eines ROV gehalten und manipuliert wird, die von einem menschlichen Bediener auf dem Schiff gesteuert werden, an dem das ROV angebunden ist.

Das Team setzte seine neueste Version der Softgreifer auf einer Reise an Bord der R / V Fuchor im abgelegenen Schutzgebiet Phoenix Islands im Südpazifik ein. Eine solche isolierte Umgebung machte es nahezu unmöglich, neue Teile für die Greifer zu erhalten. Daher brachten sie zwei 3D-Drucker, um neue Komponenten im laufenden Betrieb zu erstellen.

"Einen Monat lang auf einem Schiff zu sein, bedeutete, dass wir in der Lage sein mussten, alles zu machen, was wir brauchten, und es stellte sich heraus, dass die 3D-Drucker wirklich gut dafür waren, das auf dem Boot zu machen. Wir hatten sie fast rund um die Uhr im Einsatz, und wir konnten Feedback von den ROV-Betreibern über ihre Erfahrungen mit den weichen Greifern nehmen und über Nacht neue Versionen erstellen, um Probleme anzugehen ", sagte Daniel Vogt, MS, ein Forschungsingenieur bei Wyss Institut, das der erste Autor des Papiers ist.

Die weichen Greifer waren in der Lage, Meeresschnecken, Korallen, Schwämme und andere Meereslebewesen viel effektiver und mit weniger Schaden zu greifen als herkömmliche Unterwasser-Probenahmegeräte. Auf der Grundlage der Eingaben der ROV-Bediener erstellte das Team 3D-gedruckte "Fingernagel" -Erweiterungen, die den Fingern des Greifers hinzugefügt werden können, um ihnen zu helfen, unter Proben zu gelangen, die auf harten Oberflächen sitzen. Außerdem wurde jedem Finger ein flexibles Netz hinzugefügt, um die Proben im Griff der Finger zu halten. Eine weitere Zweifinger-Version der Greifer wurde ebenfalls auf der Grundlage der Vertrautheit der ROV-Piloten mit der Kontrolle existierender Zweifingergreifer und ihrer Anforderung, dass die beiden Finger in der Lage sind, Proben mit einem "Pinch" -Griff zu halten, geschaffen (für kleine Objekte) und ein "Power" Griff (für große Objekte).

Das Team entwickelt die Greifer weiter und hofft, Sensoren hinzuzufügen, die dem ROV-Bediener anzeigen können, wenn die Greifer in Kontakt mit einem Organismus kommen, "fühlen", wie hart oder weich es ist, und andere Messungen vornehmen. Letztendlich ist es ihr Ziel, Meereslebewesen in der Tiefsee zu erfassen und vollständige physikalische und genetische Daten zu erhalten, ohne sie aus ihren natürlichen Lebensräumen zu nehmen.

"In der Lage zu sein, Variationen dieser weichen Roboter innerhalb von Stunden in 3D zu drucken, um sicher mit verschiedenen Meereslebewesen interagieren zu können, hat das Potenzial, die Feldforschung in der Meeresbiologie zu revolutionieren", sagte der Co-Autor David Gruber, Ph.D. Wer ist 2017-2018 Radcliffe Fellow, National Geographic Explorer und Professor für Biologie und Umweltwissenschaften am Baruch College, CUNY.

"Neue Technologien ermöglichen uns immer wieder, die Grenzen alter Technologien zu überwinden, die allzu oft einfach als Status quo akzeptiert und nie in Frage gestellt werden", sagte Dr. Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der HMS und dem Vascular Biology Program am Boston Children's Hospital, sowie Professor für Bioengineering an der SEAS. "3D-Druck und Soft-Robotik-Technologien ermöglichen nun, dass die Prozesse des Designs und der Iteration vor Ort statt im Labor stattfinden, wodurch Lösungen für bestehende Probleme schneller, einfacher und kostengünstiger erstellt werden können."

Weitere Autoren des Artikels sind Kaitlyn Becker und Mortiz Graule vom Wyss Institute und Harvard SEAS, Brennan Phillips, Ph.D. von der Universität von Rhode Island, Randi Rotjan, Ph.D. von der Universität Boston, Timothy Shank, Ph.D. von Woods Hole Oceanographic Institution und Erik Cordes, Ph.D. von der Temple Universität.

Die Forschung wurde von der National Oceanographic and Atmospheric Association, dem Schmidt Ocean Institute, der National Science Foundation, der National Academy of Sciences, dem PIPA Conservation Trust, dem PIPA Scientific Committee und dem Wyss Institute der Harvard University unterstützt.