دراسة الأجانب من أعماق

من ليندسي براونيل • 17 ذو الحجة 1439

الائتمان: معهد Wyss في جامعة هارفارد

الائتمان: معهد مونتيري باي لأبحاث الأحياء المائية (MBARI)

يتيح نموذج العينات متعدد الوجوه القابل للطي التقاط الكائنات الدقيقة الموجودة تحت الماء وإطلاقها بسهولة

المحيط المفتوح هو أكبر وأقل مناخ استكشافي على وجه الأرض ، ويقدر بأنه يضم ما يصل إلى مليون نوع لم يتم وصفه بعد. ومع ذلك ، فإن العديد من تلك الكائنات الحية تكون رخوة - مثل قناديل البحر والحبار والأخطبوطات - ويصعب التقاطها من أجل الدراسة باستخدام الأدوات الموجودة تحت الماء ، والتي كثيرا ما تلحق الضرر بها أو تدمرها. الآن ، جهاز جديد طوره باحثون في معهد Wyss التابع لجامعة هارفارد ، ومدرسة John A. Paulson للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS) ، ومعهد Radcliffe للدراسات المتقدمة ، يعتقلان بأمان المخلوقات البحرية الرقيقة داخل غلاف متعدد السطوح للطي ويسمح لهم بالذهاب دون ضرر باستخدام تصميم جديد مستوحى من الأوريجامي. تم الإبلاغ عن هذا البحث في Science Robotics.

"نحن نقترب من هذه الحيوانات كما لو كانت من الأعمال الفنية: هل نقطع قطع من الموناليزا لدراستها؟ لا ، سنستخدم الأدوات الأكثر ابتكارًا المتاحة. "هذه الكائنات الموجودة في أعماق البحار ، وبعضها عمره آلاف السنين ، تستحق أن تعامل بحنان مماثل عندما نتفاعل معها" ، قال المؤلف المتعاون ديفيد جروبر ، الدكتوراه ، وهو زميل رادكليف من عام 2017-2018 ، ناشيونال جيوغرافيك إكسبلورر ، وأستاذ علم الأحياء والعلوم البيئية في كلية باروخ ، جامعة ولاية نيويورك.

بدأت فكرة تطبيق خصائص الطي لتجميع العينات تحت الماء في عام 2014 عندما بدأ المؤلف الأول Zhi Ern Teoh، Ph.D. حصل على فصل دراسي من Chuck Hoberman ، MS ، عضو هيئة تدريس في Wyss ، و Pierce Anderson محاضر في هندسة التصميم في كلية الدراسات العليا للتصميم في جامعة هارفارد ، حول إنشاء آليات قابلة للطي من خلال الوسائل الحسابية. "كنت أقوم ببناء microrobots باليد في مدرسة الدراسات العليا ، والتي كانت عملاً شاقًا ومضنًا للغاية ، وتساءلت عما إذا كان هناك طريقة لطي سطح مستوٍ إلى شكل ثلاثي الأبعاد باستخدام محرك بدلاً من ذلك" ، قال Teoh ، وهو Wyss سابقًا. زميل ما بعد الدكتوراه في مختبر روبرت وود ، دكتوراه ، وهو الآن مهندس في كوبر بيركنز.

زميل عضو في مختبر وود في ذلك الوقت ، برينان فيليبس ، دكتوراه - الآن أستاذ مساعد في هندسة المحيطات في جامعة رود آيلاند - رأى تصاميم تيوه واقترح عليه أن يتكيف معها لالتقاط الكائنات البحرية ، والتي من الصعب أن تكون صعبة الاستيلاء على المعدات الموجودة تحت الماء التي صممت إلى حد كبير للعمل الخشن لتعدين المحيطات والبناء.

يتكون الجهاز الذي صنعه Teoh من خمسة "بتلات" بوليمر مطبوع ثلاثي الأبعاد متطابقة مع سلسلة من المفاصل الدوارة التي ترتبط ببعضها البعض لتشكل سقالة. عندما يقوم محرك واحد بتطبيق عزم الدوران على النقطة التي تلتقي فيها البتلة ، فإنه يتسبب في تدوير الهيكل بالكامل حول مفاصله وطيها في جوف عظمي مجوف (مثل مربع ذو اثني عشر وجهًا ، شبه دائري) ، يكسبه اسمًا دوارة دوكاهيدرون دوارة (RAD). يتم توجيه الطي بالكامل عن طريق تصميم المفاصل وشكل البتلات نفسها ؛ مطلوب أي إدخال آخر.

قام الفريق باختبار عينات RAD في Mystic Aquarium في Mystic ، CT ، وقاموا بنجاح بجمع وإطلاق قنديل القمر تحت الماء. بعد إجراء تعديلات على العينات بحيث يمكنها تحمل ظروف المحيط المفتوحة ، قاموا بتثبيتها على مركبة تعمل تحت الماء تعمل عن بعد (ROV) قدمها معهد مونتيري باي لأبحاث الأحياء المائية (MBARI) في مونتيري ، كاليفورنيا واختبارها في المجال على أعماق تتراوح بين 500 و 700 م (1،600-2،300 قدم) باستخدام ذراع مناولة ROV و ذراع التحكم الذي يتم التحكم به من قبل الإنسان لتشغيل العينات. تمكن الفريق من التقاط كائنات ناعمة مثل الحبار وقنديل البحر في بيئاته الطبيعية ، وإطلاق سراحهم دون ضرر.

"تصميم جهاز أخذ العينات RAD مثالي للبيئة الصعبة في أعماق المحيطات لأن ضوابطه بسيطة للغاية ، لذلك هناك عدد أقل من العناصر التي يمكن أن تنكسر. إنها أيضا وحدات ، لذلك إذا كان هناك شيء ينكسر ، يمكننا ببساطة استبدال هذا الجزء وإرسال العينات إلى الأسفل في الماء ”، قال Teoh. "هذا التصميم القابل للطي مناسب تمامًا لاستخدامه في الفضاء ، والذي يشبه المحيط العميق من حيث أنه بيئة منخفضة الجاذبية وغير قاسية تجعل تشغيل أي جهاز أمرًا صعبًا".

تعمل Teoh و Phillips حاليًا على نسخة أكثر وعورة من عينات RAD للاستخدام في مهام تحت الماء الثقيلة ، مثل الجيولوجيا البحرية ، بينما يركز Gruber و Wood على زيادة تحسين قدرات sampler الأكثر حساسية. "نود أن نضيف الكاميرات وأجهزة الاستشعار إلى العينات ، حتى نتمكن في المستقبل من التقاط حيوان ، وجمع الكثير من البيانات حوله مثل حجمه ، وخصائصه المادية ، وحتى جينومه ، ثم ندعه يذهب ، تقريبا مثل اختطاف الغريبة تحت الماء "، وقال غروبر.

"إن تعاون مجموعتنا مع مجتمع علم الأحياء البحرية قد فتح الباب لمجالات الروبوتات الناعمة والهندسة المستوحاة من الأوريجامي لتطبيق هذه التقنيات لحل المشاكل في تخصص مختلف تمامًا ، ونحن متحمسون لرؤية الطرق التي يخلق بها هذا التآزر وقال وود ، وهو أحد أعضاء هيئة التدريس في كلية التأسيس في معهد ويس ، وأستاذ تشارلز ريفر للهندسة والعلوم التطبيقية في SEAS ، وكذلك مستكشف ناشيونال جيوغرافيك.

"إن التعاون عبر التخصصات هو سمة مميزة لمعهد Wyss ، ويوضح هذا العمل كيف يمكن للابتكارات الجديدة أن تظهر عندما يبدأ علماء من مجالات مختلفة للغاية في التواصل مع بعضهم البعض" ، قال دون إنجبر ، دكتوراه في الطب ، دكتوراه ، المدير المؤسس ل معهد Wyss وهو أيضاً أستاذ Judah Folkman لعلم الأحياء الوعائي في كلية الطب بجامعة هارفارد وبرنامج علم الأحياء الوعائي في مستشفى بوسطن للأطفال ، بالإضافة إلى أستاذ الهندسة الحيوية في SEAS.

يعمل فيليبس حاليًا كأستاذ مساعد في هندسة المحيطات في جامعة رود آيلاند. ومن بين المؤلفين الإضافيين للورقة كايتلين بيكر ، وغريفين ويتريدج ، وجيمس ويفر ، دكتوراه. من معهد Wyss و SEAS.

تم دعم هذا البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية والأكاديمية الوطنية للعلوم.

العلوم البحرية, بيئي, تقنية, مراقبة المحيطات الاقسام