حل لينة لمشكلة تحت الماء الصعبة

قام الباحثون بتحويل مناورهم الناعمة ذات الثلاثة أصابع إلى نسخة بإصبعين ، حيث شاهدوا هنا وهم يمسكون بقرص البحر على خيار بحر دقيق للغاية. (الائتمان: معهد شميت أوشن)

ثلاثة مناور لينة تلتقط شقائق البحر تعلق على صخرة على الركيزة الصعبة. (الائتمان: معهد شميت أوشن)

تتضمن هذه النسخة المطبوعة بالكامل من القابضون ثلاثي الأبعاد "أظافر الأصابع" على أطراف الأصابع للمساعدة في التقاط الكائنات الحية التي تجلس على الأسطح الصلبة ، بالإضافة إلى الامتدادات الشبكية بين الأصابع للحفاظ على العينات آمنة. (الائتمان: معهد Wyss في جامعة هارفارد)

يمكن لنسخة معدلة من القابض بإصبعين فقط أن تقوم "بفهم القدرة" لعقد الأجسام الكبيرة و "قبض الفك" لعقد الأجسام الصغيرة ، يشبه إلى حد كبير اليد البشرية. (الائتمان: معهد Wyss في جامعة هارفارد)

استخدم الباحثون طابعات ثلاثية الأبعاد على متن السفينة لإنشاء نسخ جديدة من القابضون (البرتقالي) بين عشية وضحاها ردا على ردود فعل من طيارين ROV وعلماء الأحياء. (الائتمان: معهد Wyss في جامعة هارفارد)

Previous Next

يمكن طباعة القبعات الناعمة على متن السفن ثلاثية الأبعاد لأخذ عينات مختلفة من أنواع الحياة البحرية بأمان

إن المحيطات العميقة - المظلمة والباردة ، تحت ضغط عالٍ ، وبلا هواء - هي غير معروفة على الإطلاق للإنسان ، ومع ذلك فإنها تعج بالكائنات الحية التي تنجح في الازدهار في بيئتها القاسية. دراسة هذه المخلوقات تتطلب معدات متخصصة مركبة على مركبات تعمل عن بعد (ROVs) يمكنها تحمل هذه الظروف من أجل جمع العينات. هذه المعدات ، التي صممت في المقام الأول لصناعات النفط والتعدين تحت الماء ، مكبلة ومكلفة ، ويصعب مناورتها بنوع التحكم اللازم للتفاعل مع الحياة البحرية الدقيقة. إن اختيار سبيكة بحرية رديئة من قاع المحيط بهذه الأدوات شبيه بمحاولة اقتلاع عنب باستخدام مقصات تشذيب.

الآن ، طورت مجموعة متعددة التخصصات من المهندسين وعلماء الأحياء البحرية وعلماء الروبوتات جهازًا بديلاً لأخذ العينات يتميز بالمرونة والمرونة وقابلاً للتخصيص ، مما يسمح للعلماء بالاستيلاء بلطف على أنواع مختلفة من الكائنات الحية من البحر دون إلحاق الضرر بها وتعديلات الطباعة ثلاثية الأبعاد الجهاز بين عشية وضحاها دون الحاجة إلى العودة إلى مختبر بري. تم الإبلاغ عن البحث في PLOS واحد .

"عندما نتفاعل مع مخلوقات ناعمة وناعمة تحت الماء ، فإنه من المنطقي أن تكون معدات أخذ العينات الخاصة بك أيضًا ناعمة ولطيفة" ، قال المؤلف المشارك روب وود ، دكتوراه ، عضو هيئة التدريس في مركز التأسيس في معهد Wyss وهو وكذلك أستاذ تشارلز ريفر للهندسة والعلوم التطبيقية في كلية هارفارد جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS). "في الآونة الأخيرة فقط تطور مجال الروبوتات اللينة إلى النقطة التي يمكننا في الواقع بناء الروبوتات التي يمكنها استيعاب هذه الحيوانات بشكل موثوق به وغير ضار."

تحتوي أجهزة "القابض الناعم" التي صممها الفريق على ما يتراوح بين 2 إلى 5 "أصابع" مصنوعة من مادة البولي يوريثين ومواد إسفنجية أخرى تفتح وتغلق عن طريق نظام مضخة هيدروليكية منخفض الضغط يستخدم مياه البحر لدفع حركتها. ويربط القابضون أنفسهم بكرة خشبية يتم تثبيتها والتلاعب بها باستخدام أدوات ROV القائمة التي تشبه المخلب ، والتي يتحكم فيها مشغل بشري على السفينة التي ترتبط بها المركبة.

قام الفريق بنشر أحدث أعماله على القابضون اللينة في رحلة على متن R / V Falkor في منطقة محمية جزر فينيكس النائية في جنوب المحيط الهادئ. هذه البيئة المعزولة تعني أن الحصول على أجزاء جديدة للمقبض سيكون شبه مستحيل ، لذا فقد جلبت طابعتين ثلاثي الأبعاد لإنشاء مكونات جديدة أثناء الطيران.

"يعني التواجد على متن سفينة لمدة شهر أننا يجب أن نكون قادرين على صنع أي شيء نحتاجه ، وقد تبين أن الطابعات ثلاثية الأبعاد عملت جيدًا للقيام بذلك على متن القارب. لقد أجرينا تشغيلها على مدار الساعة طوال الأسبوع تقريبا ، وتمكنا من الحصول على تعليقات من مشغلي الـ ROV عن تجربتهم باستخدام القابضون اللينة وإجراء إصدارات جديدة بين عشية وضحاها لمعالجة أي مشاكل ، ”قال دانييل فوغت ، MS ، مهندس أبحاث في Wyss المعهد الذي هو أول مؤلف للورقة.

وتمكن القابضون الليّن من انتزاع البزاقات البحرية والشعاب المرجانية والإسفنج والحياة البحرية الأخرى بفعالية أكبر وبأضرار أقل من أدوات أخذ العينات التقليدية تحت الماء. استنادًا إلى المدخلات الواردة من مشغلي ROV ، توسّعت أبعاد "الأظافر" المطبوعة ثلاثية الأبعاد التي يمكن إضافتها إلى أصابع القابض لمساعدتها في الحصول على عينات تحتها على سطح صلب. كما تمت إضافة شبكة مرنة لكل إصبع للمساعدة في الحفاظ على العينات الموجودة في قبضة الأصابع. كما تم إنشاء نسخة أخرى من الإصبعين بإصبعين استنادًا إلى إلمام طيار ROV بالتحكم في مصدات الثنائيات اللاصقة الموجودة ، وطلبهم أن يتمكن الأصبعان من الاحتفاظ بعينات بكلتا "قبضة" (للأجسام الصغيرة) وفهم "القوة" (للكائنات الكبيرة).

يواصل الفريق تطوير القابضون ، على أمل إضافة أجهزة استشعار يمكن أن تشير إلى مشغل ROV عندما يتعامل القابضون مع الكائن الحي ، "يشعر" بمدى قساوته أو ناعته ، ويأخذون قياسات أخرى. في نهاية المطاف ، هدفهم هو أن يكونوا قادرين على التقاط الكائنات البحرية في أعماق المحيط والحصول على بيانات مادية ووراثية كاملة دون إخراجهم من موطنهم الأصلي.

"القدرة على طباعة تنوعات ثلاثية الأبعاد لهذه الروبوتات الناعمة في غضون ساعات للتفاعل بأمان مع أنواع مختلفة من الحياة البحرية لديها القدرة على إحداث ثورة في الطريقة التي يتم بها العمل الميداني للبيولوجيا البحرية" ، قال المؤلف المشارك المناظرة ديفيد جروبر ، دكتوراه ، من هو زميل رادكليف لعام 2017-2018 ، ناشيونال جيوغرافيك إكسبلورر ، وأستاذ علم الأحياء والعلوم البيئية في كلية باروخ ، جامعة ولاية نيويورك.

"التكنولوجيات الحديثة تمكّننا باستمرار من التغلب على القيود المفروضة على التقنيات القديمة ، والتي غالباً ما يتم قبولها ببساطة على أنها الوضع الراهن ولم نتحدّها أبدًا" ، هذا ما قاله دونالد إنغبر ، المدير المؤسس لمعهد Wyss ، وهو أيضًا يهوذا فوكمان أستاذ علم الأوعية الدموية في HMS وبرنامج علم الأوعية الدموية في مستشفى بوسطن للأطفال ، وكذلك أستاذ الهندسة الحيوية في SEAS. "تسمح الآن تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد والروبوتات اللينة بإجراء عمليات التصميم والتكرار في الموقع بدلاً من المختبر ، مما يجعله أسرع وأسهل وأرخص لإنشاء حلول للمشكلات الحالية."

ومن بين المؤلفين الإضافيين للورقة كايتلين بيكر و Mortiz Graule من معهد Wyss و Harvard SEAS و Brennan Phillips و Ph.D. من جامعة رود آيلاند ، راندي روتجان ، دكتوراه. من جامعة بوسطن ، تيموثي شانك ، دكتوراه. من معهد وودز هول لعلوم المحيطات ، وإريك كورديس ، دكتوراه. من جامعة تمبل.

أيد هذا البحث الرابطة الوطنية لعلوم المحيطات والغلاف الجوي ، ومعهد شميت أوشن ، والمؤسسة الوطنية للعلوم ، والأكاديمية الوطنية للعلوم ، وصندوق حفظ السلام PIPA ، واللجنة العلمية PIPA ، ومعهد Wyss في جامعة هارفارد.