Det djupa havet - mörkt, kall, under högt tryck, och luftlös – är notoriskt ogästvänlig för människor, ändå vimlar det av organismer som lyckas frodas i sin hårda miljö. Att studera dessa varelser kräver specialiserad utrustning monterad på fjärrstyrda fordon (ROV) som kan motstå dessa förhållanden för att samla in prover. Denna utrustning, designad främst för undervattensolja och gruvindustrin, är klumpig, dyr, och svår att manövrera med den typ av kontroll som behövs för att interagera med känsligt havsliv. Att plocka en känslig havssnigel från havsbotten med dessa verktyg är som att försöka plocka en druva med en beskärningssax.

Nu, en tvärvetenskaplig grupp av ingenjörer, marinbiologer, och robotiker har utvecklat en alternativ provtagningsenhet som är mjuk, flexibel, och anpassningsbar, tillåta forskare att försiktigt ta tag i olika typer av organismer från havet utan att skada dem, och 3-D-utskriftsmodifieringar av enheten över natten utan att behöva återvända till ett landbaserat laboratorium. Forskningen redovisas i PLOS One .

"När man interagerar med mjuka, känsliga undervattensvarelser, det är mest meningsfullt att din provtagningsutrustning också är mjuk och skonsam, " sa medförfattaren Rob Wood, Ph.D., en grundande Core Faculty-medlem av Wyss Institute som också är Charles River Professor of Engineering and Applied Sciences vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Det är först nyligen som området för mjuk robotik har utvecklats till en punkt där vi faktiskt kan bygga robotar som kan greppa dessa djur på ett tillförlitligt och ofarligt sätt."

De "mjuka griparna" som teamet designat har allt från två till fem "fingrar" gjorda av polyuretan och andra squishy material som öppnas och stängs via ett lågtrycks hydrauliskt pumpsystem som använder havsvatten för att driva deras rörelse. Griparna själva är fästa på en träkula som hålls och manipuleras med hjälp av en befintlig ROV, hårda kloliknande verktyg, kontrolleras av en mänsklig operatör på fartyget till vilket ROV:n är kopplad.

Teamet använde sin senaste version av de mjuka griparna på en resa ombord på R/V Falkor i det avlägsna Phoenix Islands Protected Area i södra Stilla havet. En sådan isolerad miljö innebar att det var nästan omöjligt att skaffa nya delar till griparna, så de tog med två 3D-skrivare för att skapa nya komponenter i farten.

"Att vara på ett fartyg i en månad innebar att vi måste kunna göra allt vi behövde, och det visar sig att 3D-skrivarna fungerade riktigt bra för att göra det på båten. Vi hade dem igång nästan 24/7, och vi kunde ta feedback från ROV-operatörerna om deras erfarenhet av att använda de mjuka griparna och skapa nya versioner över en natt för att lösa eventuella problem, sa Daniel Vogt, FRÖKEN., en forskningsingenjör vid Wyss Institute som är den första författaren till artikeln.

De mjuka griparna kunde greppa havssniglar, koraller, svampar, och annat marint liv mycket mer effektivt och med mindre skada än traditionella undervattensprovtagningsverktyg. Baserat på input från ROV-operatörerna, teamet 3-D-printade "fingernagel" förlängningar som kunde läggas till griparens fingrar för att hjälpa dem att komma under prover som satt på hårda ytor. Ett flexibelt nät lades också till varje finger för att hjälpa till att hålla prover i fingrarnas grepp. Annan, tvåfingrar version av griparna skapades också baserat på ROV-piloters förtrogenhet med att kontrollera befintliga tvåfingrade gripdon, och deras begäran att de två fingrarna ska kunna hålla prover med både ett "nypa" grepp (för små föremål) och ett "kraft" grepp (för stora föremål).

Teamet fortsätter att utveckla griparna, hoppas kunna lägga till sensorer som kan indikera för ROV-operatören när griparna kommer i kontakt med en organism, "känn" hur hårt eller mjukt det är, och ta andra mätningar. I sista hand, deras mål är att kunna fånga havsdjur i djuphavet och få fullständiga fysiska och genetiska data utan att ta dem ur deras ursprungliga livsmiljöer.

"Att kunna 3-D-printa varianter av dessa mjuka robotar inom några timmar för att säkert interagera med olika typer av havsliv har potentialen att revolutionera hur marinbiologiska fältarbeten utförs, " sa medkorrespondent författare David Gruber, Ph.D., som är en Radcliffe Fellow 2017-2018, National Geographic Explorer, och professor i biologi och miljövetenskap vid Baruch College, KULIG.

"Ny teknik gör det ständigt möjligt för oss att övervinna begränsningarna med gammal teknik, som alltför ofta helt enkelt accepteras som status quo och aldrig utmanas, " sa Wyss Institutes grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid HMS och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, samt professor i bioteknik vid SEAS. "3D-utskrift och mjuka robottekniker tillåter nu designprocesser och iteration att ske på plats snarare än i labbet, gör det snabbare, lättare, och billigare att skapa lösningar på befintliga problem."