I robot subacquei sviluppati dai ricercatori della Scripps Institution of Oceanography dell'Università della California a San Diego offrono agli scienziati un nuovo straordinario strumento per studiare le correnti oceaniche e le minuscole creature che trasportano. Sciami di questi robot sottomarini hanno aiutato a rispondere ad alcune domande fondamentali sulle forme di vita più abbondanti nell'oceano:il plancton.

L'oceanografo di ricerca Scripps Jules Jaffe ha progettato e costruito gli esploratori subacquei autonomi in miniatura, o M-AUE, studiare i processi ambientali su piccola scala che si verificano nell'oceano. Gli strumenti di esplorazione dell'oceano sono dotati di temperatura e altri sensori per misurare le condizioni dell'oceano circostante mentre i robot "nuotano" su e giù per mantenere una profondità costante regolando la loro galleggiabilità. I M-AUE potrebbero essere potenzialmente schierati in sciami da centinaia a migliaia per catturare una visione tridimensionale delle interazioni tra le correnti oceaniche e la vita marina.

In un nuovo studio pubblicato nel numero del 24 gennaio della rivista Comunicazioni sulla natura , L'oceanografo biologico di Jaffe e Scripps, Peter Franks, ha schierato uno sciame di 16 robot subacquei delle dimensioni di un pompelmo programmati per imitare il comportamento di nuoto subacqueo del plancton, gli organismi microscopici che vanno alla deriva con le correnti oceaniche. Lo studio di ricerca è stato progettato per testare le teorie su come il plancton formi zone dense sotto la superficie dell'oceano, che spesso in seguito si rivelano in superficie come maree rosse.

"Queste patch potrebbero funzionare come barre singole planctoniche, "disse Franchi, che da tempo sospettava che le dense aggregazioni potessero favorire l'alimentazione, riproduzione, e protezione dai predatori.

Due decenni fa Franks pubblicò una teoria matematica che prevedeva che il plancton nuotante avrebbe formato chiazze dense quando spinto da onde interne:giganti, onde lente sotto la superficie dell'oceano. Testare la sua teoria richiederebbe di tracciare i movimenti del singolo plancton, ciascuno più piccolo di un chicco di riso, mentre nuotavano nell'oceano, che non è possibile utilizzando la tecnologia disponibile.

Jaffe invece inventò il "plancton robotico" che va alla deriva con le correnti oceaniche, ma sono programmati per muoversi su e giù regolando la loro galleggiabilità, imitando i movimenti del plancton. Uno sciame di questi plancton robotici era lo strumento ideale per mettere finalmente alla prova la teoria matematica di Franks.

"Le grandi scoperte ingegneristiche sono state rendere le M-AUE piccole, poco costoso, e in grado di essere monitorato continuamente sott'acqua, " ha detto Jaffe. Il basso costo ha permesso a Jaffe e al suo team di costruire un piccolo esercito di robot che potrebbero essere schierati in uno sciame.

Tracciare i singoli M-AUE è stata una sfida, poiché il GPS non funziona sott'acqua. Un componente chiave del progetto è stato lo sviluppo da parte dei ricercatori del Qualcomm Institute e del Dipartimento di informatica e ingegneria della UC San Diego di tecniche matematiche per utilizzare segnali acustici per tracciare i veicoli M-AUE mentre erano sommersi.

Durante un esperimento di cinque ore, i ricercatori di Scripps insieme ai colleghi dell'UC San Diego hanno schierato uno sciame di 300 metri (984 piedi) di diametro di 16 M-AUE programmati per rimanere a 10 metri (33 piedi) di profondità nell'oceano al largo della costa di Torrey Pines, vicino a La Jolla, California I M-AUE regolavano costantemente la loro galleggiabilità per muoversi verticalmente contro le correnti create dalle onde interne. Le informazioni tridimensionali sulla posizione raccolte ogni 12 secondi hanno rivelato dove questo sciame robotico si muoveva sotto la superficie dell'oceano.

I risultati dello studio erano quasi identici a quelli previsti da Franks. Le temperature dell'oceano circostante fluttuavano mentre le onde interne passavano attraverso lo sciame M-AUE. E, come predetto da Franchi, i dati sulla posizione M-AUE hanno mostrato che lo sciame ha formato una zona fitta nelle acque calde dei trogoli interni, ma disperso sulle creste dell'onda.

"Questa è la prima volta che un simile meccanismo viene testato sott'acqua, " ha detto Franks. L'esperimento ha aiutato i ricercatori a confermare che il plancton fluttuante può utilizzare le dinamiche fisiche dell'oceano, in questo caso le onde interne, per aumentare le loro concentrazioni e riunirsi in sciami per soddisfare i loro bisogni fondamentali di vita.

"Questo approccio di rilevamento dello sciame apre un regno completamente nuovo di esplorazione dell'oceano, " ha detto Jaffe. Aumentare i M-AUE con le fotocamere consentirebbe la mappatura fotografica degli habitat dei coralli, o "selfie plancton, "Secondo Jaffe.

Il team di ricerca spera di costruire altre centinaia di robot in miniatura per studiare il movimento delle larve tra le aree marine protette, monitorare le fioriture dannose della marea rossa, e per aiutare a monitorare le fuoriuscite di petrolio. Gli idrofoni di bordo che aiutano a tracciare gli M-AUE sott'acqua potrebbero anche consentire allo sciame di agire come un "orecchio" gigante nell'oceano, ascoltare e localizzare i suoni ambientali nell'oceano.

Jaffe, Franchi, e i loro colleghi hanno ricevuto quasi 1 milione di dollari dalla National Science Foundation nel 2009 per sviluppare e testare la nuova generazione di strumenti per l'esplorazione degli oceani. I coautori dello studio includono:Paul Roberts, principale ingegnere di sviluppo presso Scripps, Ryan Kastner, professore presso il Dipartimento di Informatica e Ingegneria; Diba Mirza, ricercatore post-dottorato in informatica; e Curt Schurgers, ingegnere di sviluppo principale presso il Qualcomm Institute, e lo studente tirocinante di Scripps Adrien Boch.