Pesquisadores criam águas-vivas biônicas que nadam mais rápido e com mais eficiência

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Os engenheiros da Caltech e da Universidade de Stanford desenvolveram uma prótese minúscula que permite que a água-viva nade mais rápido e de maneira mais eficiente do que normalmente, sem estressar os animais. Os pesquisadores responsáveis ​​pelo projeto vislumbram um futuro no qual as águas-vivas equipadas com sensores possam ser direcionadas para explorar e registrar informações sobre o oceano.

A água-viva usa um movimento pulsante para se impulsionar para a frente, agitando seus tentáculos enquanto se movem para capturar presas. A nova prótese usa impulsos elétricos para regular – e acelerar – a pulsação, semelhante à maneira como um marcapasso cardíaco regula a freqüência cardíaca. O dispositivo, que é neutro em flutuação na água, tem cerca de dois centímetros de diâmetro e é preso ao corpo da água-viva através de uma pequena farpa de madeira.

A pesquisa – liderada por John Dabiri (MS ’03, PhD ’05) da Caltech, professora do Centenário de Aeronáutica e Engenharia Mecânica e Nicole Xu (MS ’15), estudante de Stanford, foi publicada na revista Avanços científicos.

Normalmente, as águas-vivas nadam a uma taxa de cerca de dois centímetros por segundo. Embora eles sejam capazes de se mover mais rapidamente, isso não os ajuda a capturar presas, sua razão típica para usar o movimento de “nadar” que balança os tentáculos.

Na pesquisa descrita no artigo, Dabiri, Xu e colegas equiparam as águas-vivas com um controlador microeletrônico pulsando a uma frequência três vezes mais rápida do que os pulsos corporais habituais dos animais. A pulsação dos animais acelerou, produzindo um aumento correspondente em sua velocidade de natação para cerca de 4-6 centímetros por segundo.

Além de tornar a água-viva mais rápida, os solavancos elétricos também os fizeram nadar com mais eficiência. Embora as águas-vivas nadassem três vezes mais rápido que o ritmo normal, elas usavam apenas o dobro de energia (conforme medido pela quantidade de oxigênio consumida pelos animais enquanto nadava). De fato, as águas-vivas equipadas com próteses eram 1.000 vezes mais eficientes que os robôs nadadores, diz Xu.

“Mostramos que eles são capazes de se mover muito mais rápido do que normalmente, sem um custo indevido em seu metabolismo”, diz Xu. “Isso revela que as águas-vivas possuem uma capacidade inexplorada para nadar mais rápido e mais eficiente.”

Note-se que as águas-vivas foram monitoradas de perto para garantir que não fossem prejudicadas. As águas-vivas não têm cérebro ou receptores de dor, mas descobriram que secretam muco quando estressadas, e nenhuma secreção foi observada neste experimento. Além disso, a água-viva voltou a nadar normalmente após a remoção da prótese.

A pesquisa representa um “meio termo” entre duas veias do trabalho de robótica com inspiração bioinspiratória em que Dabiri esteve envolvido na última década, tanto na Caltech quanto em Stanford. Um envolve o uso de componentes puramente mecânicos e os outros materiais puramente biológicos.

Com sistemas puramente mecânicos, Dabiri teve sucesso na construção de robôs que parecem animais reais, mas requerem muito mais energia para realizar as mesmas tarefas. “Ainda não capturamos a elegância dos sistemas biológicos”, observa ele. No entanto, embora sejam mais elegantes que os robôs, sistemas puramente biológicos são muito mais frágeis. De fato, em colaboração com colegas da Universidade de Harvard, Dabiri mostrou que as células cardíacas de ratos podem responder a campos elétricos – o que potencialmente os torna blocos de construção úteis para dispositivos biológicos – mas as células sobrevivem apenas em condições de laboratório.

O esforço para adicionar controles mecânicos às águas-vivas começou em 2013 em Caltech, quando Xu era um estudante de graduação que fazia uma bolsa de verão de pesquisa (SURF) no laboratório de Dabiri. Dabiri estava interessado em alavancar águas-vivas para a exploração e detecção dos oceanos devido à sua abundância: as espécies usadas nos experimentos atuais podem ser encontradas nos oceanos da Terra, em profundidades que variam da superfície ao fundo de valas profundas.

“Apenas 5% a 10% do volume do oceano foi explorado, por isso queremos aproveitar o fato de que as águas-vivas estão em toda parte para dar um salto nas medições baseadas em navios, cujo número é limitado devido ao seu alto custo. ”, Diz Dabiri. “Se pudermos encontrar uma maneira de direcionar essas águas-vivas e também equipá-las com sensores para rastrear coisas como temperatura do oceano, salinidade, níveis de oxigênio e assim por diante, poderíamos criar uma rede oceânica verdadeiramente global em que cada um dos robôs de água-viva custa alguns dólares para instrumentar e se alimentar de presas que já estão no oceano. ”

Atualmente, a prótese pode direcionar água-viva para começar a nadar e controlar o ritmo. O próximo passo será desenvolver um sistema que guie as águas-vivas em direções específicas e que lhes permita responder aos sinais dos sensores a bordo, diz Dabiri, que espera desenvolver controles eletrônicos ainda menores que possam ser completamente incorporados ao tecido das águas-vivas. próteses permanentes, mas despercebidas.

O estudo é intitulado “Microeletrônica de baixa potência incorporada em água-viva viva aprimora a propulsão”. Esta pesquisa foi financiada pela National Science Foundation.

Referência: “Microeletrônica de baixa potência incorporada em medusas vivas melhoram a propulsão” por Nicole W. Xu e John O. Dabiri, 29 de janeiro de 2020, Avanços científicos.
DOI: 10.1126 / sciadv.aaz3194

Fonte: scitechdaily.com

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