Un piccolo crostaceo è la musa ispiratrice di Pleobot, una soluzione robotica modulare per il nuoto metacronale

Spesso, più di quanto si immagini, la Scienza si ispira al mondo animale per le sue innovazioni. Non solo la scoperta del corpo umano ma anche modi più intelligenti, e sicuri, per indagare i meandri marini. Ed è con tale obiettivo che nasce Pleobot. La musa ispiratrice stavolta è il krill, una specie di organismi marini invertebrati appartenenti all’ordine Euphausiacea: piccoli crostacei che si concentrano in particolare nelle fredde acque polari. Gli scienziati della Brown University hanno preso ad esempio la struttura del krill per creare un robot che possa semplificare l’esplorazione e la locomozione sottomarina, per scoprire di più di quanto contengono gli oceani e, chissà, anche individuare altre specie viventi extra terrestri. Un organismo artefatto non avrebbe infatti bisogno di molto per analizzare suolo e sottosuolo in altri mondi, con le giuste accortezze e personalizzazioni (ad esempio per superare temperature non proprio “favorevoli” do certi pianeti). Il team, guidato da Sara Oliveira Santos, candidata al Ph.D. presso la Brown’s School of Engineering, ha studiato a fondo i krill per sviluppare Pleobot, che può emulare i movimenti del crostaceo e le sue peculiari caratteristiche.

Come nasce Pleobot

I krill sono creature che eccellono nel nuoto, nella frenata, nelle virate e nell’accelerazione. La tecnica di navigazione, chiamata “metacronale”, prevede il movimento coordinato di più appendici o gambe in sequenza, creando un movimento ondulatorio che spinge l’organismo in avanti. Grazie alla tecnica, il krill può vivere in diversi e complessi habitat oceanici e compiere grandi migrazioni. Inoltre, la sua corporatura permette una notevole manovrabilità.

«Gli esperimenti con gli organismi sono impegnativi e imprevedibili. Pleobot ci consente una risoluzione e un controllo senza precedenti per indagare su tutti gli aspetti del nuoto con cui il krill eccelle nelle manovre sott’acqua. Il nostro obiettivo era progettare uno strumento completo per includere tutti i dettagli che rendono il crostaceo uno dei nuotatori più atletici in natura», ha dichiarato Santos.

La costruzione di Pleobot ha coinvolto ricercatori esperti di meccanica dei fluidi, biologia e meccatronica. Il robot è stato costruito su una scala dieci volte più grande del krill, che in genere è delle dimensioni di una graffetta. Il dispositivo consiste principalmente in parti stampabili in 3D con azionamento attivo e passivo delle articolazioni per creare una cinematica naturale.

Come funziona il piccolo robot

Gli scienziati hanno utilizzato misurazioni della forza e del flusso del fluido e dati biologici per stabilire la relazione tra l’appendice e la spinta. In pratica, il team ha costruito Pleobot per avere tre sezioni mobili, replicazione del nuoto metacronale. I ricercatori possono controllare i due segmenti delle gambe di Pleobot e avere il controllo passivo delle sue pinne biramose, che replicano il movimento di apertura e chiusura osservato nelle pinne del pesciolino. Il fine è simulare come i krill generino portanza mentre nuotano in avanti per evitare di affondare poiché sono leggermente più pesanti dell’acqua. Anche quando non nuotano, gli animali devono creare un sollevamento per mantenere la loro posizione nell’acqua.

«Siamo stati in grado di scoprire quel meccanismo utilizzando il robot. Abbiamo identificato un effetto importante di una regione di bassa pressione nella parte posteriore delle gambe che nuotano e che contribuisce al miglioramento della forza di sollevamento durante la corsa di potenza delle gambe in movimento», ha affermato Yunxing Su, partner post-dottorato del laboratorio e coautore dello studio.

Secondo i ricercatori, Pleobot ha il potenziale per sfruttare milioni di anni di evoluzione nel krill per produrre un robot di navigazione oceanica avanzato.

«Le aggregazioni di krill sono un eccellente esempio di sciami in natura: sono composti da organismi con un corpo aerodinamico, che viaggiano fino a un chilometro in ogni direzione, con un’eccellente manovrabilità subacquea. Questo studio è il punto di partenza di un obiettivo di ricerca a lungo termine che mira a sviluppare la prossima generazione di veicoli autonomi di rilevamento subacqueo. La comprensione delle interazioni fluido-struttura a livello di appendice ci consentirà di prendere decisioni informate sui progetti futuri», le parole di Monica M. Wilhelmus, che gestisce il Wilhelmus Lab presso la Brown.

Negli ultimi anni, la crescente necessità di macchine manovrabili da remoto per l’esplorazione subacquea ha favorito approcci ispirati alla natura. In particolare, la scoperta di oceani extraterrestri motiva lo sviluppo di nuove piattaforme robotiche che probabilmente richiederanno l’efficienza, la versatilità e la manovrabilità del nuoto metacronale. In quanto tale, il Pleobot si pone come prototipo funzionale che si può adattare a vari strumenti per indagare più a fondo i territori subacquei.