Uma Solução Suave para um Problema Subaquático Duro

Os pesquisadores converteram seu manipulador macio de três dedos em uma versão de dois dedos, visto aqui realizando um aperto de pinça em um pepino do mar extremamente delicado. (Crédito: Schmidt Ocean Institute)

Um manipulador macio de três dedos segurando uma anêmona anexada a uma rocha sobre um substrato duro. (Crédito: Schmidt Ocean Institute)

Esta versão totalmente impressa em 3D das garras inclui “unhas” nas extremidades dos dedos para ajudar a pegar organismos que estão sentados em superfícies duras, bem como extensões de malha entre os dedos para manter as amostras seguras. (Crédito: Instituto Wyss da Universidade de Harvard)

Uma versão modificada da pinça com apenas dois dedos pode realizar tanto um "poder de agarrar" para segurar objetos grandes quanto um "aperto de pinça" para segurar objetos pequenos, bem como uma mão humana. (Crédito: Wyss Institute na Universidade de Harvard)

Os pesquisadores usaram impressoras 3D a bordo do navio para criar novas versões das garras (laranja) durante a noite em resposta ao feedback dos pilotos e biólogos do ROV. (Crédito: Wyss Institute na Universidade de Harvard)

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Garras suaves podem ser impressas em 3D a bordo de navios para amostrar com segurança diferentes tipos de vida marinha

O oceano profundo - escuro, frio, sob alta pressão e sem ar - é notoriamente inóspito para os seres humanos, embora seja repleto de organismos que conseguem prosperar em seu ambiente hostil. Estudar essas criaturas requer equipamento especializado montado em veículos operados remotamente (ROVs) que possam suportar essas condições para coletar amostras. Este equipamento, projetado principalmente para as indústrias submarinas de petróleo e mineração, é desajeitado, caro e difícil de manobrar com o tipo de controle necessário para interagir com a vida marinha delicada. Escolher uma delicada lesma marinha do fundo do oceano com essas ferramentas é como tentar arrancar uma uva usando tesouras de poda.

Agora, um grupo multidisciplinar de engenheiros, biólogos marinhos e roboticistas desenvolveu um dispositivo de amostragem alternativo que é flexível, flexível e personalizável, permitindo aos cientistas pegar gentilmente diferentes tipos de organismos do mar sem danificá-los, e imprimir as modificações em 3D para o dispositivo durante a noite sem a necessidade de retornar a um laboratório terrestre. A pesquisa é relatada no PLOS One .

"Ao interagir com criaturas subaquáticas suaves e delicadas, faz mais sentido para o seu equipamento de amostragem também ser suave e gentil", disse o co-autor Rob Wood, Ph.D., um membro do corpo docente do Instituto Wyss que é também o professor Charles River de Engenharia e Ciências Aplicadas na Harvard John A. Paulson School of Engineering e Applied Sciences (SEAS). "Só recentemente é que o campo da robótica macia se desenvolveu a ponto de podermos construir robôs capazes de capturar esses animais de maneira confiável e inofensiva".

Os dispositivos de “garras suaves” projetados pela equipe têm de dois a cinco “dedos” feitos de poliuretano e outros materiais que abrem e fecham por meio de um sistema de bomba hidráulica de baixa pressão que usa a água do mar para impulsionar seus movimentos. As garras em si são presas a uma bola de madeira que é segurada e manipulada usando as ferramentas de garra rígida existentes de um ROV, controladas por um operador humano no navio ao qual o ROV é amarrado.

A equipe implantou sua mais recente iteração das garras flexíveis em uma viagem a bordo do R / V Falkor, na remota Área Protegida das Ilhas Fênix, no Pacífico Sul. Um ambiente tão isolado significava que a obtenção de novas peças para as garras seria quase impossível, por isso trouxeram duas impressoras 3D para a criação de novos componentes em tempo real.

“Estar em um navio por um mês significou que precisávamos fazer tudo o que precisávamos e, na verdade, as impressoras 3D funcionaram muito bem para fazer isso no barco. Fizemos eles rodarem quase 24 horas por dia, e pudemos receber feedback dos operadores de ROV sobre sua experiência usando as pinças suaves e fazer novas versões durante a noite para resolver qualquer problema ”, disse Daniel Vogt, MS, engenheiro de pesquisa da Wyss. Instituto quem é o primeiro autor do artigo.

As garras flexíveis foram capazes de agarrar lesmas do mar, corais, esponjas e outras formas de vida marinha de forma muito mais eficaz e com menos danos do que as ferramentas tradicionais de amostragem subaquática. Com base nas informações fornecidas pelos operadores de ROV, a equipe imprimiu extensões de "unha" impressas em 3D que poderiam ser adicionadas aos dedos da pinça para ajudá-los a obter amostras que estavam em superfícies duras. Uma malha flexível também foi adicionada a cada dedo para ajudar a manter as amostras contidas no punho dos dedos. Outra versão de dois dedos das garras também foi criada com base na familiaridade dos pilotos de ROV com o controle das pinças existentes de dois dedos, e seu pedido para que os dois dedos possam segurar amostras com um aperto de “pinça” (para pequenos objetos) e um alcance de "poder" (para objetos grandes).

A equipe continua desenvolvendo as garras, na esperança de adicionar sensores que possam indicar ao operador do ROV quando as garras entram em contato com um organismo, “sentem” o quanto ele é duro ou mole e fazem outras medições. Em última análise, seu objetivo é ser capaz de capturar criaturas marinhas no fundo do oceano e obter dados físicos e genéticos completos sem tirá-los de seus habitats nativos.

“Ser capaz de imprimir em 3D variações desses robôs em poucas horas para interagir com segurança com diferentes tipos de vida marinha tem o potencial de revolucionar a forma como o trabalho de campo da biologia marinha é feito”, disse o autor co-correspondente David Gruber, Ph.D. que é bolsista de Radcliffe 2017-2018, National Geographic Explorer e professor de biologia e ciências ambientais no Baruch College, CUNY.

"As novas tecnologias estão continuamente nos capacitando a superar as limitações das antigas tecnologias, que muitas vezes são simplesmente aceitas como status quo e nunca desafiadas", disse o diretor fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, MD, Ph.D., que também é o Judah Folkman Professor de Biologia Vascular na HMS e no Programa de Biologia Vascular do Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia na SEAS. “As tecnologias de impressão 3D e soft robotics permitem agora que os processos de design e iteração aconteçam no local e não no laboratório, tornando mais rápido, fácil e barato criar soluções para os problemas existentes.”

Outros autores do artigo incluem Kaitlyn Becker e Mortiz Graule do Wyss Institute e Harvard SEAS, Brennan Phillips, Ph.D. da Universidade de Rhode Island, Randi Rotjan, Ph.D. da Universidade de Boston, Timothy Shank, Ph.D. da Woods Hole Oceanographic Institution, e Erik Cordes, Ph.D. da Temple University.

A pesquisa foi apoiada pela Associação Nacional Oceanográfica e Atmosférica, o Schmidt Ocean Institute, a National Science Foundation, a National Academy of Sciences, o PIPA Conservation Trust, o Comitê Científico do PIPA e o Wyss Institute da Harvard University.