Gli ingegneri della Caltech e della Stanford University hanno sviluppato una minuscola protesi che consente alle meduse di nuotare più velocemente e in modo più efficiente di quanto non facciano normalmente, senza stressare gli animali. I ricercatori dietro il progetto immaginano un futuro in cui le meduse dotate di sensori potrebbero essere indirizzate per esplorare e registrare informazioni sull'oceano.

Le meduse usano un movimento pulsante per spingersi in avanti, agitando i loro tentacoli mentre si muovono per catturare la preda. La nuova protesi utilizza impulsi elettrici per regolare e accelerare quel pulsare, simile al modo in cui un pacemaker cardiaco regola la frequenza cardiaca. Il dispositivo, che galleggia in modo neutro in acqua, ha un diametro di circa due centimetri ed è attaccato al corpo della medusa tramite un piccolo ardiglione di legno.

La ricerca, guidata da John Dabiri del Caltech (MS '03, dottorato di ricerca '05), Professore Centenario di Aeronautica e Ingegneria Meccanica, e la studentessa laureata a Stanford Nicole Xu—è stata pubblicata sulla rivista Progressi scientifici il 29 gennaio.

Tipicamente, le meduse nuotano a una velocità di circa due centimetri al secondo. Sebbene siano in grado di muoversi più rapidamente, così facendo non li aiuta ad intrappolare la preda, la loro tipica ragione per usare il movimento di "nuoto" con l'ondeggiamento dei tentacoli.

Nella ricerca descritta nell'articolo, Dabiri, Xu, e colleghi hanno dotato le meduse di un controller microelettronico che pulsa a una frequenza tre volte più veloce dei normali impulsi corporei degli animali. Il battito degli animali accelerò, producendo un corrispondente aumento della loro velocità di nuoto a circa 4-6 centimetri al secondo.

Oltre a rendere la medusa più veloce, le scosse elettriche li hanno anche fatti nuotare in modo più efficiente. Sebbene le meduse nuotassero tre volte più velocemente del loro ritmo abituale, hanno usato solo il doppio dell'energia per farlo (misurata dalla quantità di ossigeno consumata dagli animali durante il nuoto). Infatti, le meduse munite di protesi erano più di 1, 000 volte più efficiente dei robot nuotatori, dice Xu.

"Abbiamo dimostrato che sono in grado di muoversi molto più velocemente di quanto non facciano normalmente, senza un costo eccessivo sul loro metabolismo, " Dice Xu. "Questo rivela che le meduse possiedono un'abilità STAPpata per velocizzare, nuoto più efficiente. Di solito non hanno un motivo per farlo".

Va notato che le meduse sono state attentamente monitorate per assicurarsi che non fossero danneggiate. Le meduse non hanno cervello o recettori del dolore, ma è stato scoperto che secernono muco quando sono stressati, e nessuna tale secrezione fu osservata in questo esperimento. Inoltre, la medusa è tornata a nuotare normalmente una volta rimossa la protesi.

La ricerca rappresenta una "via di mezzo" tra due filoni del lavoro di robotica bioispirata in cui Dabiri è stato coinvolto negli ultimi dieci anni, sia al Caltech che a Stanford. Uno prevede l'uso di componenti puramente meccanici e l'altro di materiali puramente biologici.

Con sistemi puramente meccanici, Dabiri ha avuto successo costruendo robot che sembrano veri animali ma richiedono molta più energia per svolgere gli stessi compiti. "Non abbiamo ancora catturato l'eleganza dei sistemi biologici, " fa notare. Tuttavia, sebbene siano più eleganti dei robot, i sistemi puramente biologici sono molto più fragili. Infatti, in collaborazione con i colleghi dell'Università di Harvard, Dabiri ha dimostrato che le cellule dei ratti cardiaci possono rispondere ai campi elettrici, il che le rende potenzialmente utili elementi costitutivi per i dispositivi biologici, ma le cellule sopravvivono solo in condizioni di laboratorio.

Lo sforzo per aggiungere controlli meccanici alle meduse è iniziato nel 2013 al Caltech quando Xu era uno studente universitario che frequentava una borsa di studio per la ricerca universitaria estiva (SURF) nel laboratorio di Dabiri. Dabiri era interessato a sfruttare le meduse per l'esplorazione e il rilevamento degli oceani a causa della loro abbondanza:le specie utilizzate negli esperimenti attuali possono essere trovate in tutti gli oceani della terra, a profondità che vanno dalla superficie al fondo di trincee profonde.

"Solo una piccola frazione dell'oceano è stata esplorata, quindi vogliamo approfittare del fatto che le meduse sono già ovunque per fare un salto dalle misurazioni a bordo delle navi, che sono in numero limitato a causa del loro alto costo, " dice Dabiri. "Se riusciamo a trovare un modo per dirigere queste meduse e dotarle anche di sensori per monitorare cose come la temperatura dell'oceano, salinità, livelli di ossigeno, e così via, potremmo creare una rete oceanica veramente globale in cui ciascuno dei robot medusa costa pochi dollari per essere strumentato e si nutre di energia dalle prede già nell'oceano".

Attualmente, la protesi può dirigere la medusa per iniziare a nuotare e controllare il ritmo. Il prossimo passo sarà sviluppare un sistema che guidi le meduse in direzioni specifiche e che permetta loro di rispondere ai segnali dei sensori di bordo, dice Dabiri, che spera di sviluppare controlli elettronici ancora più piccoli che potrebbero essere completamente incorporati nel tessuto della medusa, rendendoli protesi permanenti ma inosservate.

Lo studio è intitolato "La microelettronica a bassa potenza incorporata nelle meduse vive migliora la propulsione".