Den mänskliga armen kan utföra ett brett utbud av extremt känsliga och koordinerade rörelser, från att vrida på en nyckel i ett lås till att försiktigt smeka en valps päls. Robotarmarna på undervattensforskningsubåtar, dock, är svåra, ryckig, och saknar finess för att kunna nå och interagera med varelser som maneter eller bläckfiskar utan att skada dem. Tidigare, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University och samarbetspartners utvecklade en rad mjuka robotgripare för att säkrare hantera känsligt havsliv, men dessa gripanordningar förlitade sig fortfarande hårt på, robotubåtsarmar som gjorde det svårt att manövrera dem till olika positioner i vattnet.

Nu, ett nytt system byggt av forskare vid Wyss Institute, Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Baruch College, och University of Rhode Island (URI) använder en handske utrustad med trådlösa mjuka sensorer för att styra en modulär, mjuk robotarm som kan böja och röra sig med oöverträffad skicklighet för att greppa och prova känsligt vattenliv. Detta system skulle en dag kunna möjliggöra skapandet av ubåtsbaserade forskningslabb där alla känsliga uppgifter som forskare gör i ett landbaserat laboratorium kan utföras på havets botten. Insikter från detta arbete kan potentiellt ha värde även för medicintekniska applikationer. Forskningen är publicerad i Vetenskapliga rapporter .

"Denna nya mjuka robotarm ersätter den hårda, styva armar som är standard på de flesta dränkbara farkoster, gör det möjligt för våra mjuka robotgripare att nå och interagera med havets liv med mycket större lätthet över en mängd olika miljöer och låter oss utforska delar av havet som för närvarande är understuderade, " sa första författaren Brennan Phillips, Ph.D., en biträdande professor vid URI som var postdoktor vid Wyss Institute och SEAS när forskningen var klar.

Apparaten som utvecklats av Phillips och hans kollegor har böjning, roterande, och gripmoduler som enkelt kan läggas till eller tas bort för att låta armen utföra olika typer av rörelser baserat på uppgiften – en betydande fördel, med tanke på mångfalden av terräng och liv som finns i havet. Andra förbättringar jämfört med befintliga mjuka manipulatorer inkluderar ett kompakt och robust hydrauliskt kontrollsystem för utplacering i avlägsna och tuffa miljöer. Hela systemet kräver mindre än hälften av effekten av den minsta kommersiellt tillgängliga elektroniska manipulatorarmen för djuphavsområdet, vilket gör den idealisk för användning på bemannade undervattensfordon, som har begränsad batterikapacitet.

Armen styrs trådlöst via en handske utrustad med mjuka sensorer som bärs av en forskare, som kontrollerar armens böjning och rotation genom att flytta handleden och griparna genom att böja pekfingret. Dessa rörelser översätts till öppning och stängning av olika ventiler i systemets sjövattendrivna hydraulmotor. Olika typer av mjuka gripare kan fästas vid änden av armen för att låta den interagera med varelser av varierande form, storlek, och delikatess, från hårt, sköra koraller till mjuka, diaphana maneter.

"De för närvarande tillgängliga undervattensrobotarmarna fungerar bra för olje- och gasprospektering, men inte för att hantera känsligt marint liv – att använda dem är som att försöka plocka upp en servett med en metallkrabbklo, " sa medförfattaren David Gruber, Ph.D., som är professor i biologi vid Baruch College, CUNY och en National Geographic Explorer. "Handskkontrollsystemet tillåter oss att ha mycket mer intuitiv kontroll över den mjuka robotarmen, som hur vi skulle röra våra egna armar när vi dykte."

Robotarm- och gripsystemet fälttestades från en 3-personers ubåt i de outforskade djuphavsekosystemen i Fernando de Noronha Archipelago, Brasilien. Det var framgångsrikt i stånd att interagera med eller samla in känsliga mittvatten- och djuphavsorganismer som en glassvamp, en sjögurka, en förgrenad korall, och fritt flytande självlysande manteldjur. Olika moduler byttes snabbt och enkelt in i armen för att bättre manövrera griparna för att nå sin målorganism, eller om någon modul är skadad, utan att behöva demontera hela armen.

"Denna lågeffekt, handskstyrd mjuk robot designades med den framtida marinbiologen i åtanke, som kommer att kunna bedriva vetenskap långt bortom gränserna för SCUBA och med ett jämförbart eller bättre medel än en via en mänsklig dykare, sa Robert Wood, Ph.D., en senior författare till artikeln som är en grundande kärnfakultetsmedlem i Wyss Institute samt Charles River professor i teknik och tillämpad vetenskap vid SEAS.

Forskarna fortsätter att förfina sina konstruktioner och införlivar icke-invasiva DNA- och RNA-provtagningsmöjligheter i armsystemets manöverenheter, med målet att kunna fånga ömtåligt havsliv, utföra en serie experiment i ett "undervattenslaboratorium, " och släpp dem oskadda.

"Wyss Institutes mål är att få ut vetenskapliga upptäckter från labbet och ut i världen, men ibland måste vi ta reda på hur vi ska modifiera själva det vetenskapliga laboratoriet så att det kan flyttas ut från den akademiska världen för att kunna undersöka verkliga miljöer. Denna forskning markerar början på den möjligheten för djuphavet, och de framsteg de beskriver kan ha mycket större värde, även för medicinska och kirurgiska tillämpningar, sa Donald Ingber, M.D., Ph.D., grundare av Wyss Institute som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid HMS och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, och professor i bioteknik vid SEAS.