Pequeños vehículos submarinos autónomos, como los drones del mar, podrían ser muy útiles para estudiar las profundidades del océano y monitorear sus condiciones cambiantes. Pero tales mini bots náuticos pueden ser fáciles de dominar por las turbulentas corrientes oceánicas.
Los científicos de Caltech dirigidos por John Dabiri (PhD ’05), el profesor centenario de aeronáutica e ingeniería mecánica, han estado aprovechando la capacidad pure de las medusas para atravesar y plomear el océano, equiparlos con electrónica y “sombreros” con protésicos con las cuales las criaturas pueden transportar pequeñas cargas útiles en sus viajes náuticos e informar con sus hallazgos a la superficie. Estas medusas biónicas deben lidiar con el flujo y el flujo de las corrientes que encuentran, pero las criaturas sin cerebro no toman decisiones sobre la mejor manera de navegar a un destino, y una vez que se despliegan, no pueden controlarse remotamente.
“Sabemos que las medusas aumentadas pueden ser grandes exploradores oceánicos, pero no tienen cerebro”, cube Dabiri. “Entonces, una de las cosas en las que hemos estado trabajando es desarrollar cómo se vería ese cerebro si tuviéramos que imbuir estos sistemas con la capacidad de tomar decisiones bajo el agua”.
Ahora Dabiri y su ex alumno graduado Peter Gunnarson (PhD ’24), que ahora se encuentra en la Universidad de Brown, han descubierto una forma de simplificar ese proceso de toma de decisiones y ayudar a un robotic, o potencialmente una medusa aumentada, en los turbulentos vortices creados por las corrientes oceánicas en lugar de luchar contra ellos. Los investigadores publicaron recientemente sus hallazgos en la revista PNAS NEXUS.
Para este trabajo, Gunnarson regresó a un viejo amigo en el laboratorio: Carl-Bot (Robotic de aprendizaje de refuerzo autónomo de Caltech). Gunnarson construyó el Carl-Bot hace años como parte de su trabajo para comenzar a incorporar la inteligencia synthetic en la técnica de navegación de un bot. Pero Gunnarson recientemente descubrió una forma más easy que la IA para que tal sistema tome decisiones bajo el agua.
“Estábamos haciendo una lluvia de concepts para que los vehículos submarinos pudieran usar corrientes de agua turbulentas para la propulsión y nos preguntamos si, en lugar de ser un problema, podrían ser una ventaja para estos vehículos más pequeños”, cube Gunnarson.
Gunnarson quería entender exactamente cómo una corriente empuja a un robotic. Adjuntó un propulsor a la pared de un tanque de 16 pies de largo en el laboratorio de Dabiri en el laboratorio aeronáutico Guggenheim en el campus de Caltech para generar repetidamente lo que se llama anillos de vórtice, básicamente los equivalentes submarinos de los anillos de humo. Los anillos de vórtice son una buena representación de los tipos de perturbaciones que un explorador submarino encontraría en el flujo de fluido caótico del océano.
Gunnarson comenzó a usar el acelerómetro a bordo de Carl-Bot para medir cómo se estaba moviendo y ser empujado por los anillos de vórtice. Se dio cuenta de que, de vez en cuando, el robotic quedaba atrapado en un anillo de vórtice y sería empujado despejado por el tanque. Él y sus colegas comenzaron a preguntarse si el efecto podría hacerse intencionalmente.
Para explorar esto, el equipo desarrolló comandos simples para ayudar a Carl a detectar la ubicación relativa de un anillo de vórtice y luego posicionarse para, en palabras de Gunnarson, “Súbete y toma un paseo básicamente de forma gratuita a través del tanque”. Alternativamente, el bot puede decidir salir del camino de un anillo de vórtice que no quiere ser empujado.
Dabiri señala que este proceso incluye elementos de biomimética, robando una página del libro de jugadas de la naturaleza. Las aves altísimas, por ejemplo, a menudo aprovechan fuertes vientos para ahorrar energía en lugar de intentar volar contra ellos. Los experimentos también han demostrado que los peces pueden permitirse ser transportados por las corrientes giratorias del océano para ayudar a conservar la energía. Sin embargo, en ambos casos naturales, los sistemas están utilizando entrada sensorial relativamente sofisticada y un cerebro para lograr esto.
“Lo que Peter ha descubierto es que básicamente con un solo sensor, este acelerómetro y leyes de management relativamente simples, podemos lograr ventajas similares en términos de usar la energía en el entorno para ir del punto A al punto B”, cube Dabiri.
Mirando hacia el futuro, Dabiri espera casarse con este trabajo con sus medusas híbridas. “Con las medusas, podemos tener un acelerómetro a bordo medir cómo se está empujando este sistema”, cube. “Con suerte, podemos demostrar una capacidad comparable para aprovechar los flujos ambientales para moverse de manera más eficiente a través del agua”.
