Các kỹ sư tại Caltech và Đại học Stanford đã phát triển một bộ phận giả nhỏ cho phép sứa bơi nhanh hơn và hiệu quả hơn bình thường, mà không gây căng thẳng cho nó. Các nhà nghiên cứu đằng sau dự án hình dung một tương lai trong đó loài sứa được trang bị cảm biến có thể được định hướng để khám phá và ghi lại thông tin về đại dương.
Sứa sử dụng một chuyển động xung để đẩy mình về phía trước, vung những xúc tu của chúng khi di chuyển để bắt con mồi. Bộ phận giả mới sử dụng các xung điện để điều chỉnh và tăng tốc nhịp đập, tương tự như cách máy tạo nhịp tim điều hòa nhịp tim. Thiết bị này có độ nổi trung tính trong nước, có đường kính khoảng 2cm và được gắn vào thân của con sứa thông qua một thanh gỗ nhỏ.
Nghiên cứu được dẫn dắt bởi John Dabiri của Caltech (MS '03, Tiến sĩ '05), Giáo sư Hàng không và Kỹ thuật Cơ khí, và tốt nghiệp Stanford Nicole Xu (MS '15) đã xuất bản trên tạp chí Science Advances vào ngày 29 tháng 1.
Thông thường, sứa bơi với tốc độ khoảng 2cm/s. Mặc dù chúng có khả năng di chuyển nhanh hơn, nhưng làm như vậy chúng không thể sản mồi, lý do điển hình của chúng là sử dụng chuyển động "bơi" vẫy xúc tu.
Trong nghiên cứu được mô tả trong bài báo, Dabiri, Xu và các đồng nghiệp đã trang bị cho sứa một bộ điều khiển vi điện tử đập với tần số nhanh hơn ba lần so với các xung cơ thể thông thường của động vật. Nhịp đập của các con vật tăng lên, tạo ra sự gia tăng tương ứng về tốc độ bơi của chúng lên khoảng 4 - 6 cm/s.
Ngoài việc làm cho sứa bơi nhanh hơn, những cú sốc điện còn khiến chúng bơi hiệu quả hơn. Mặc dù con sứa bơi nhanh hơn ba lần so với tốc độ thông thường của chúng, chúng chỉ sử dụng năng lượng gấp đôi để làm điều đó (được đo bằng lượng oxy tiêu thụ của động vật khi bơi). Trên thực tế, loài sứa được trang bị chân tay giả có hiệu suất cao hơn 1.000 lần so với robot bơi, Xu nói.
"Chúng tôi đã chứng minh rằng chúng có khả năng di chuyển nhanh hơn nhiều so với bình thường, mà không cần tiêu thụ quá nhiều năng lượng cho quá trình trao đổi chất của chúng", Xu nói. "Điều này tiết lộ rằng sứa sở hữu một khả năng chưa được khai thác để bơi nhanh hơn, hiệu quả hơn. Chúng thường không có lý do để làm như vậy."
Cần lưu ý rằng sứa được theo dõi chặt chẽ để đảm bảo rằng chúng không bị tổn hại. Sứa không có não hoặc thụ thể cảm nhận được sự đau, nhưng chúng được phát hiện việc tiết chất nhầy khi chúng căng thằng, trong thí nghiệm này đã quan sát được rằng không hề có chất nhầy được tiết ra. Ngoài ra, con sứa đã quay trở lại bơi một cách bình thường sau khi tháo chân giả.
Nghiên cứu đại diện cho một "nền tảng trung gian" giữa hai tĩnh mạch của công việc chế tạo robot sinh học mà Dabiri đã tham gia trong thập kỷ qua, ở cả Caltech và Stanford. Một liên quan đến việc sử dụng các thành phần cơ học hoàn toàn và các vật liệu sinh học hoàn toàn khác.
Với các hệ thống cơ học thuần túy, Dabiri đã có những robot chế tạo thành công trông giống như động vật thật nhưng cần nhiều năng lượng hơn để hoàn thành các nhiệm vụ tương tự. "Chúng tôi chưa nắm bắt được sự thanh thoát của các hệ thống sinh học", ông lưu ý. Tuy nhiên, mặc dù chúng thanh lịch hơn robot, nhưng các hệ thống sinh học thuần túy lại mỏng manh hơn rất nhiều. Thật vậy, hợp tác với các đồng nghiệp tại Đại học Harvard, Dabiri đã chỉ ra rằng các tế bào tim chuột có thể phản ứng với điện trường, có khả năng làm cho chúng trở thành các khối xây dựng hữu ích cho các thiết bị sinh học, nhưng các tế bào chỉ tồn tại trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Nỗ lực bổ sung các điều khiển cơ học cho sứa bắt đầu vào năm 2013 tại Caltech khi Xu là một sinh viên đại học đang làm Học bổng nghiên cứu đại học mùa hè (SURF) trong phòng thí nghiệm của Dabiri. Dabiri quan tâm đến việc tận dụng loài sứa để thám hiểm và cảm nhận đại dương vì sự phong phú của chúng: loài được sử dụng trong các thí nghiệm hiện tại có thể được tìm thấy trên khắp các đại dương trên trái đất, ở độ sâu từ bề mặt đến đáy rãnh sâu.
"Chỉ có năm đến 10 phần trăm thể tích của đại dương đã được khám phá, vì vậy chúng tôi muốn tận dụng thực tế là sứa ở khắp mọi nơi đã thực hiện một bước nhảy vọt từ các phép đo dựa trên tàu, bị giới hạn về số lượng do chi phí cao”, Dabiri nói. "Nếu chúng ta có thể tìm cách điều khiển những con sứa này và cũng trang bị cho chúng các cảm biến để theo dõi những thứ như nhiệt độ đại dương, độ mặn, nồng độ oxy, v.v., chúng ta có thể tạo ra một mạng lưới đại dương thực sự toàn cầu, nơi mỗi robot robot có giá vài đô la cho dụng cụ và tự cung cấp năng lượng từ con mồi đã có trong đại dương. "
Hiện tại, bộ phận giả có thể hướng sứa bắt đầu bơi và kiểm soát tốc độ. Bước tiếp theo sẽ là phát triển một hệ thống hướng dẫn con sứa theo các hướng cụ thể và cho phép chúng phản ứng với tín hiệu từ các cảm biến trên tàu, Dabiri, người hy vọng sẽ phát triển các điều khiển điện tử nhỏ hơn có thể được nhúng hoàn toàn vào mô của con sứa, tạo ra họ vĩnh viễn nhưng không được chú ý chân tay giả.
Nghiên cứu có tiêu đề "Vi điện tử công suất thấp được nhúng trong sứa sống tăng cường sức đẩy". Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia.