Den här månaden publicerade forskare sällsynta bilder av en av Arktis mest svårfångade hajar. Fynden visar att, även med många tekniska framsteg de senaste åren, det är fortfarande en utmanande uppgift att dokumentera det marina livet på nära håll.

Men MIT-datavetare tror att de har en möjlig lösning:att använda robotar.

I en tidning ut idag, ett team från MIT:s Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) avtäckte "SoFi, "en mjuk robotfisk som självständigt kan simma tillsammans med riktiga fiskar i havet.

Under testdyk i Rainbow Reef i Fiji, SoFi simmade på mer än 50 fots djup i upp till 40 minuter samtidigt, hanterar strömmar smidigt och tar högupplösta foton och videor med (vad mer?) en fisheye-lins.

Genom att använda sin böljande svans och en unik förmåga att kontrollera sin egen flytkraft, SoFi kan simma i en rak linje, sväng, eller dyka upp eller ner. Teamet använde också en vattentät Super Nintendo-kontroll och utvecklade ett anpassat akustiskt kommunikationssystem som gjorde det möjligt för dem att ändra SoFis hastighet och få den att göra specifika rörelser och svängar.

"Så vitt vi vet, detta är den första robotfisken som kan simma obundet i tre dimensioner under längre tidsperioder, " säger CSAIL Ph.D.-kandidat Robert Katzschmann, huvudförfattare till den nya tidskriftsartikeln som publicerades idag i Vetenskapsrobotik . "Vi är glada över möjligheten att kunna använda ett sådant här system för att komma närmare marint liv än vad människor kan komma på egen hand."

Katzschmann arbetade med projektet och skrev tidningen med CSAIL-chefen Daniela Rus, doktorand Joseph DelPreto och tidigare postdoc Robert MacCurdy, som nu är biträdande professor vid University of Colorado i Boulder.

Hur det fungerar

Befintliga autonoma undervattensfordon (AUV) har traditionellt varit bundna till båtar eller drivs av skrymmande och dyra propellrar.

I kontrast, SoFi har en mycket enklare och lättare inställning, med en enda kamera, en motor, och samma litiumpolymerbatteri som finns i konsumentsmartphones. För att få roboten att simma, motorn pumpar vatten in i två ballongliknande kammare i fiskens svans som fungerar som en uppsättning kolvar i en motor. När en kammare expanderar, den böjer och böjer åt ena sidan; när manöverdonen trycker vatten till den andra kanalen, att man böjer sig och böjer sig åt andra hållet.

Dessa alternerande åtgärder skapar en sida-till-sida-rörelse som efterliknar rörelsen hos en riktig fisk. Genom att ändra dess flödesmönster, det hydrauliska systemet möjliggör olika svansmanövrar som resulterar i en rad simhastigheter, med en medelhastighet på cirka en halv kroppslängd per sekund.

"Författarna visar ett antal tekniska landvinningar inom tillverkning, driva, och vattenmotstånd som gör att roboten kan röra sig under vattnet utan tjuder, säger Cecilia Laschi, en professor i biorobotik vid Sant'Anna School of Advanced Studies i Pisa, Italien. "En robot som denna kan hjälpa till att utforska revet närmare än nuvarande robotar, både för att det kan komma närmare säkrare för revet och för att det bättre kan accepteras av de marina arterna."

Hela bakhalvan av fisken är gjord av silikongummi och flexibel plast, och flera komponenter är 3D-utskrivna, inklusive huvudet, som rymmer all elektronik. För att minska risken för att vatten läcker in i maskinen, teamet fyllde huvudet med en liten mängd babyolja, eftersom det är en vätska som inte kommer att komprimeras av tryckförändringar under dyk.

Verkligen, en av lagets största utmaningar var att få SoFi att simma på olika djup. Roboten har två fenor på sidan som justerar stigningen på fisken för upp- och neddykning. För att justera dess position vertikalt, roboten har ett justerbart viktfack och en "flytkraftskontrollenhet" som kan ändra sin densitet genom att komprimera och dekomprimera luft.

Katzschmann säger att teamet utvecklade SoFi med målet att vara så icke-störande som möjligt i sin miljö, från det minimala bruset från motorn till ultraljudsutsläppen från teamets kommunikationssystem, som skickar kommandon med våglängder på 30 till 36 kilohertz.

"Roboten är kapabel till nära observationer och interaktioner med marint liv och verkar inte störa riktiga fiskar, säger Rus.

Projektet är en del av ett större arbete på CSAIL fokuserat på mjuka robotar, som har potential att bli säkrare, robustare, och piggare än sina hårda motsvarigheter. Mjuka robotar är på många sätt lättare att kontrollera än stela robotar, eftersom forskare inte behöver oroa sig lika mycket för att behöva undvika kollisioner.

"Att undvika kollisioner leder ofta till ineffektiv rörelse, eftersom roboten måste nöja sig med en kollisionsfri bana, säger Rus, Andrew och Erna Viterbi professor i elektroteknik och datavetenskap vid MIT. "I kontrast, en mjuk robot är inte bara mer sannolikt att överleva en kollision, men skulle kunna använda det som information för att informera om en mer effektiv rörelseplan nästa gång."

Som nästa steg kommer teamet att arbeta med flera förbättringar av SoFi. Katzschmann planerar att öka fiskens hastighet genom att förbättra pumpsystemet och justera utformningen av dess kropp och svans.

Han säger att de också planerar att snart använda kameran ombord för att SoFi ska kunna följa riktiga fiskar automatiskt, och att bygga ytterligare SoFis för biologer för att studera hur fiskar reagerar på olika förändringar i sin miljö.

"Vi ser SoFi som ett första steg mot att utveckla nästan ett slags undervattensobservatorium, " säger Rus. "Det har potential att bli en ny typ av verktyg för havsutforskning och att öppna upp nya vägar för att avslöja mysterierna med det marina livet."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.