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新型超柔软水下抓爪可安全捕获并释放水母而不会造成损坏艾成

艾成    
2022年07月05日

新型超柔软水下抓爪可安全捕获并释放水母而不会造成损坏

水母约含95%的水,使它们成为地球上最透明,最精致的动物。但是其余的5%却产生了重要的科学发现,例如绿色荧光蛋白现在已被科学家广泛用于研究基因表达以及生命周期逆转,这可能是对抗衰老的关键。

水母可能很好地藏有其他可能改变生活的秘密,但是收集它们的难度严重限制了对这种“被遗忘的动物群”的研究

海洋生物学家可在远程操作车辆上使用的采样工具主要是为海洋石油和天然气工业开发的,比果冻更适合于抓紧和操纵岩石和重型设备,通常将它们切成碎片以尝试抓住他们。

现在,由哈佛大学怀斯生物启发工程研究所,约翰·保尔森工程与应用科学学院和纽约市立大学的巴鲁克学院的研究人员开发的一项新技术以超柔软的水下抓爪,可利用液压轻轻但牢固地将像意大利细面条的手指缠绕在单个水母上,然后松开它而不会造成伤害。该夹持器在《科学机器人》上发表的一篇新论文中有所描述。

第一作者尼娜·辛纳特拉博士说:“我们的超柔和抓手比现有的深海采样设备有了明显的改进,这些采样设备可对果冻和其他软体动物进行采集,否则这些东西几乎不可能收集完好无损。”曾在Wyss Institute任职,现在是Google的机械和材料工程师。

“这项技术还可以扩展,以改进水下分析技术,并允许对海洋生物的生态和遗传特征进行广泛的研究,而无需将它们带出水面。”

该图演示了设想的将软机器人执行器安装到远程操作车辆上的应用情况。

夹持器的六个“手指”由薄而扁平的有机硅条组成,内部有空心通道,该空心通道与一层柔软但较硬的聚合物纳米纤维粘合在一起。手指连接到矩形的3D打印塑料“手掌”上,并且当其通道充满水时,将其朝纳米纤维涂层侧弯曲。

每个手指都施加极低的压力-大约0.0455 kPA,或不到人眼睑对眼睛的压力的十分之一。相比之下,用于捕获比水母更精致但更坚固的动物的当前最先进的柔软海洋抓取器的功率约为1 kPA。

研究人员将他们的超柔和夹持器安装到专门创建的手持式设备上,并测试了其在水箱中抓住人造硅水母的能力,以确定成功收集样品所需的位置和精度以及最佳角度和捕获水母的速度。然后,他们进入了新英格兰水族馆的真实世界,在那里他们用the子抓起游泳的月亮果冻,果冻软糖和斑点果冻,大小都像高尔夫球一样。

抓具成功地将每个水母捕获在设备的手掌上,并且直到将抓具减压后,水母才能从手指的抓握中挣脱出来。水母被释放后没有压力或其他不良影响的迹象,并且手指能够打开和闭合大约100次,直到出现磨损迹象。

软机器人抓取装置的设计,带有一个四致动器轮毂。插图:可以模块化连接包括六致动器手掌在内的不同零件。软纤维增强的执行器可抓持金色光斑,Catostylus花叶病和Mastigias papua。

共同作者大卫·格鲁伯博士说:“海洋生物学家一直在等待一种工具,该工具能够复制人的手的温和性,使其与无法进入的环境中的水母等精致动物互动。”纽约市立大学巴鲁克学院环境科学系和国家地理探险家。“

该抓取器是不断增长的软机器人工具箱的一部分,该工具箱有望使水下物种的收集更加容易和安全,这将大大提高对数百年未充分研究的动物的研究速度和质量,从而为我们提供了更加完整地描述了构成我们海洋的复杂生态系统。”

超软抓手是使用软机器人进行水下采样的最新创新,这是格鲁伯与Wyss创始核心教员罗伯·伍德博士之间的持续合作。该公司生产了折纸风格的RAD采样器和多功能“半软手指”,以收集各种难以捕获的生物,包括鱿鱼,章鱼,海绵,海鞭,珊瑚等。

伍德说:“软机器人是解决广泛领域中此类长期存在问题的理想解决方案,因为它结合了传统机器人的可编程性和鲁棒性以及前所未有的柔韧性,这要归功于所使用的柔性材料。”由Wyss研究所的生物启发式软机器人平台负责人,SEAS的Charles River工程与应用科学教授以及国家地理探险家。

水下抓地机器人的面条状附件的视频捕获了新英格兰水族馆的活水母。

该团队正在继续完善超柔软抓手的设计,旨在进行评估水母对抓手的生理反应的研究,以更明确地证明它们不会引起动物的压力。

伍德和格鲁伯还是施密特海洋研究所“设计未来”项目的首席研究员,并将在2020年的研究船Falkor上进行的一次远征中进一步测试其各种水下机器人。

“在威斯学院,我们一直在问,'我们如何使它变得更好?' 罗伯·伍德和他的团队运用独创性和开箱即用的思维给我留下了深刻的印象,罗伯·伍德和他的团队致力于解决一个存在于公海而不是实验室中的现实世界中的问题,这将有助于极大地进步。

Wyss研究所的创始董事Donald Ingber博士说,他也是哈佛医学院的犹大Folkman教授,波士顿儿童医院的血管生物学计划和SEAS的生物工程学教授。

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