Bau bionischer Quallen für die Erforschung des Ozeans

Quallen können außer Schwimmen, Stechen, Fressen und Fortpflanzung nicht viel tun. Sie haben nicht einmal ein Gehirn. Dennoch können diese einfachen Lebewesen problemlos in die Tiefen der Ozeane vordringen, und zwar auf eine Art und Weise, wie es Menschen trotz aller Raffinesse nicht möglich ist.

Aber was wäre, wenn Menschen Quallen in unserem Namen die Ozeane erkunden und uns berichten könnten, was sie finden? Neue am Caltech durchgeführte Forschungsarbeiten zielen darauf ab, dies durch die Schaffung dessen, was Forscher als biohybride Roboterquallen bezeichnen, Wirklichkeit werden zu lassen. Diese Kreaturen, die man sich als hochseetaugliche Cyborgs vorstellen kann, statten Quallen mit Elektronik aus, die ihre Schwimmfähigkeit verbessert, und mit einem prothetischen „Hut“, der eine kleine Nutzlast tragen kann und gleichzeitig dafür sorgt, dass die Quallen stromlinienförmiger schwimmen.

Die Arbeit, veröffentlicht im Tagebuch Bioinspiration & Biomimetik, wurde im Labor von John Dabiri, dem Centennial-Professor für Luftfahrt und Maschinenbau, durchgeführt und baut auf seiner früheren Arbeit zur Vermehrung von Quallen auf. Dabiris Ziel bei dieser Forschung ist es, Quallen als robotische Datensammler einzusetzen und sie in die Ozeane zu schicken, um Informationen über Temperatur, Salzgehalt und Sauerstoffgehalt zu sammeln, die alle vom sich ändernden Klima der Erde beeinflusst werden.

„Es ist allgemein bekannt, dass der Ozean entscheidend für die Bestimmung unseres gegenwärtigen und zukünftigen Klimas an Land ist, und dennoch wissen wir immer noch überraschend wenig über den Ozean, insbesondere abseits der Oberfläche“, sagt Dabiri. „Unser Ziel ist es, diese Nadel endlich zu bewegen, indem wir einen unkonventionellen Ansatz verfolgen, der von einem der wenigen Tiere inspiriert ist, die bereits erfolgreich den gesamten Ozean erforschen.“

Im Laufe seiner Karriere hat sich Dabiri bei der Lösung technischer Herausforderungen von der Natur, darunter auch von Quallen, inspirieren lassen. Diese Arbeit begann mit frühen Versuchen von Dabiris Labor, einen mechanischen Roboter zu entwickeln, der wie Quallen schwamm und über die effizienteste Methode aller Lebewesen verfügt, sich durch Wasser zu bewegen.

Obwohl es seinem Forschungsteam gelang, einen solchen Roboter zu entwickeln, konnte dieser Roboter nie so effizient schwimmen wie eine echte Qualle. An diesem Punkt fragte sich Dabiri, warum nicht einfach mit den Quallen selbst arbeiten?

„Quallen sind die ursprünglichen Meeresforscher, die bis in die tiefsten Winkel vordringen und in tropischen oder polaren Gewässern genauso gut gedeihen“, sagt Dabiri. „Da sie weder ein Gehirn noch die Fähigkeit haben, Schmerzen zu spüren, konnten wir mit Bioethikern zusammenarbeiten, um diese biohybride Roboteranwendung auf eine Weise zu entwickeln, die ethischen Grundsätzen entspricht.“

Zuvor implantierte Dabiris Labor Quallen eine Art elektronischen Herzschrittmacher, der ihre Schwimmgeschwindigkeit steuert. Dabei stellten sie fest, dass die Tiere sogar noch effizienter wurden, wenn sie Quallen dazu brachten, schneller zu schwimmen als in ihrem gemächlichen Tempo. Eine Qualle, die dreimal schneller schwimmt als normalerweise, verbraucht nur doppelt so viel Energie.

Diesmal ging das Forschungsteam noch einen Schritt weiter und fügte den Gelees einen sogenannten Vorkörper hinzu. Diese Vorkörper sind wie Hüte, die auf der Glocke der Qualle (dem pilzförmigen Teil des Tieres) sitzen. Die Geräte wurden vom Doktoranden und Hauptautor Simon Anuszczyk entworfen, der darauf abzielte, die Qualle stromlinienförmiger zu machen und gleichzeitig einen Ort zu schaffen, an dem Sensoren und andere Elektronik getragen werden können.

„Ähnlich wie die Spitze eines Pfeils haben wir 3D-gedruckte Vorderkörper entworfen, um die Glocke des Quallenroboters zu optimieren, den Luftwiderstand zu verringern und die Schwimmleistung zu steigern“, sagt Anuszczyk. „Gleichzeitig experimentierten wir mit 3D-Druck, bis wir den Auftrieb sorgfältig ausbalancieren und die Qualle vertikal schwimmen lassen konnten.“

Um die Schwimmfähigkeit der verstärkten Gelees zu testen, unternahm Dabiris Labor den Bau eines riesigen vertikalen Aquariums im Guggenheim-Labor des Caltech. Dabiri erklärt, dass der dreistöckige Tank eher hoch als breit ist, weil Forscher Daten über die Meeresbedingungen weit unter der Oberfläche sammeln wollen.

„Im Ozean dauert der Hin- und Rückweg von der Oberfläche auf mehrere tausend Meter für die Qualle einige Tage, deshalb wollten wir eine Anlage entwickeln, um diesen Prozess im Labor zu untersuchen“, sagt Dabiri. „Unser vertikaler Tank lässt die Tiere gegen eine fließende vertikale Strömung schwimmen, wie ein Laufband für Schwimmer. Wir gehen davon aus, dass die einzigartige Größe der Anlage – wahrscheinlich das erste vertikale Wasserlaufband seiner Art – für eine Vielzahl anderer grundlegender und angewandter Zwecke nützlich sein wird.“ Forschungsfragen.“

Im Becken durchgeführte Schwimmtests zeigen, dass eine Qualle, die mit einer Kombination aus Schwimmschrittmacher und Vorderkörper ausgestattet ist, bis zu 4,5-mal schneller schwimmen kann als eine natürliche Qualle, während sie eine Nutzlast trägt. Die Gesamtkosten betragen etwa 20 US-Dollar pro Qualle, sagt Dabiri, was Biohybrid-Gelees zu einer attraktiven Alternative zum Mieten eines Forschungsschiffs macht, dessen Betrieb mehr als 50.000 US-Dollar pro Tag kosten kann.

„Indem wir die natürliche Fähigkeit der Quallen nutzen, extremen Drücken in der Tiefsee standzuhalten, und ihre Fähigkeit, sich durch Nahrungsaufnahme selbst zu ernähren, ist unsere technische Herausforderung viel leichter zu bewältigen“, fügt Dabiri hinzu. „Wir müssen das Sensorpaket noch so konstruieren, dass es den gleichen Quetschdrücken standhält, aber dieses Gerät ist kleiner als ein Softball und daher viel einfacher zu konstruieren als ein komplettes U-Boot, das in diesen Tiefen operiert.“

„Ich bin wirklich gespannt, was wir lernen können, wenn wir diese Teile des Ozeans zum ersten Mal beobachten“, fügt er hinzu.

Laut Dabiri könnte sich die zukünftige Arbeit auf die weitere Verbesserung der Fähigkeiten der bionischen Gelees konzentrieren. Derzeit können sie nur dazu gebracht werden, schneller in einer geraden Linie zu schwimmen, wie zum Beispiel die vertikalen Pfade, die für Tiefseemessungen konzipiert sind. Durch weitere Forschungen könnten sie aber auch steuerbar gemacht werden, sodass sie sowohl horizontal als auch vertikal ausgerichtet werden können.