Ingenjörer vid Caltech och Stanford University har utvecklat en liten protes som gör att maneterna kan simma snabbare och mer effektivt än de normalt gör, utan att stressa djuren. Forskarna bakom projektet föreställer sig en framtid där maneter utrustade med sensorer kan riktas för att utforska och spela in information om havet.

Maneter använder en pulserande rörelse för att driva sig framåt, svinga sina tentakler när de rör sig för att fånga byten. Den nya protesen använder elektriska impulser för att reglera - och påskynda - den pulserande, ungefär som hur en pacemaker reglerar hjärtfrekvensen. Enheten, som är neutralt flytande i vatten, är cirka två centimeter i diameter och fästs på manetens kropp via en liten trähaka.

Forskningen - ledd av Caltechs John Dabiri (MS '03, Ph.D. '05), Centennial professor i luftfart och maskinteknik, och Stanford -doktoranden Nicole Xu - publicerades i tidskriften Vetenskapliga framsteg den 29 januari.

Vanligtvis, maneter simmar med en hastighet av cirka två centimeter per sekund. Även om de kan röra sig snabbare, att göra det hjälper dem inte att fånga byten, deras typiska anledning till att använda den tentakelviftande "simmande" rörelsen.

I forskningen som beskrivs i tidningen, Dabiri, Xu, och kollegor utrustade maneter med en mikroelektronisk styrenhet som pulserar med en frekvens tre gånger snabbare än djurens vanliga kroppspulser. Djuren pulserade snabbt, producerar en motsvarande ökning av deras simhastighet till cirka 4-6 centimeter per sekund.

Förutom att maneterna blir snabbare, de elektriska stöten fick dem också att simma mer effektivt. Även om maneterna simmade tre gånger snabbare än deras vanliga takt, de använde bara dubbelt så mycket energi för att göra det (mätt med mängden syre som konsumeras av djuren under simning). Faktiskt, man med protes utrustade maneter var över 1, 000 gånger effektivare än simrobotar, Xu säger.

"Vi har visat att de kan röra sig mycket snabbare än de normalt gör, utan en onödig kostnad för deras ämnesomsättning, "Xu säger." Detta avslöjar att maneter har en outnyttjad förmåga för snabbare, effektivare simning. De brukar inte ha någon anledning att göra det. "

Det bör noteras att maneterna övervakades noga för att säkerställa att de inte skadades. Maneter har inte hjärna eller smärtreceptorer, men de har visat sig utsöndra slem vid stress, och ingen sådan utsöndring observerades i detta experiment. Dessutom, maneterna gick tillbaka till att simma normalt när protesen togs bort.

Forskningen representerar en "mellanväg" mellan två vener av bioinspirerat robotarbete som Dabiri har varit involverat i under det senaste decenniet, både på Caltech och Stanford. Den ena innebär användning av rent mekaniska komponenter och den andra rent biologiska material.

Med rent mekaniska system, Dabiri har lyckats bygga robotar som ser ut som riktiga djur men kräver mycket mer energi för att utföra samma uppgifter. "Vi har inte fångat elegansen i biologiska system än, "konstaterar han. Men även om de är mer eleganta än robotar, rent biologiska system är mycket mer ömtåliga. Verkligen, i samarbete med kollegor vid Harvard University, Dabiri har visat att hjärtråttceller kan svara på elektriska fält - vilket potentiellt gör dem användbara byggstenar för biologiska enheter - men cellerna överlever bara under laboratorieförhållanden.

Ansträngningarna att lägga till mekaniska kontroller till maneter började 2013 på Caltech när Xu var en grundstudent som gjorde ett Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) i Dabiris labb. Dabiri var intresserad av att utnyttja maneter för havsutforskning och avkänning på grund av deras överflöd:de arter som används i de nuvarande experimenten finns över hela jordens hav, på djup som sträcker sig från ytan till botten av djupa skyttegravar.

"Endast en liten del av havet har utforskats, så vi vill dra nytta av det faktum att maneter redan finns överallt för att ta ett steg från skeppsbaserade mätningar, som är begränsade i antal på grund av deras höga kostnad, "Säger Dabiri." Om vi ​​kan hitta ett sätt att rikta dessa maneter och också utrusta dem med sensorer för att spåra saker som havstemperatur, salthalt, syrehalter, och så vidare, vi skulle kunna skapa ett verkligt globalt havsnätverk där var och en av manetrobotarna kostar några dollar för att instrumentera och matar sig energi från byte som redan finns i havet. "

För närvarande, protesen kan styra maneterna att börja simma och styra tempot. Nästa steg blir att utveckla ett system som guidar maneterna i specifika riktningar och som gör att de kan svara på signaler från inbyggda sensorer, säger Dabiri, som hoppas kunna utveckla ännu mindre elektroniska kontroller som kan vara helt inbäddade i manetens vävnad, gör dem permanenta men obemärkta proteser.

Studien har titeln "Mikroelektronik med låg effekt inbäddad i levande maneter förbättrar framdrivningen."