Explorer les mers avec des méduses auto-alimentées Cyborgs

Contrairement aux poissons, les méduses manquent d'os et possèdent un seul filet nerveux rudimentaire, mais ils peuvent parcourir des distances considérables avec une dépense énergétique minimale. La glisse apparemment sans effort d'une méduse dans l'eau est grâce à un anneau de muscle dans son ventre doux, ce qui crée un simple jet qui le propulse vers l'avant. Les scientifiques appellent cette capacité intrinsèque comme une «intelligence incarnée», ce qui suggère que la structure physique de l'organisme joue un rôle dans la résolution de problèmes.

Lorsqu'elle est exploitée, cette locomotion fournit un moyen efficace de surveiller les récifs coralliens, de suivre les déversements d'huile et d'observer les tendances climatiques. Les « Cyborgs de méduses » nécessitent une puissance minimale et fonctionnent sans moteurs, ce qui limite l'impact environnemental associé aux méthodes actuelles d'étude de la vaste étendue de l'océan.

Dans une nouvelle étude, une équipe de recherche, dirigée par Dai Owaki, professeur agrégé au Département de robotique de la Graduate School of Engineering de l'Université Tohoku, a modulé avec succès le comportement de natation des méduses à l'aide d'impulsions électriques douces. De plus, ils ont utilisé un modèle d'intelligence artificielle légère (IA) pour prédire la vitesse de nage de chaque méduse.

Les résultats, qui ont été publiés dans la revue Communications de la natureillustrez le potentiel collaboratif entre les animaux marins à corps doux et les systèmes électroniques de base dans les environnements aquatiques, tout en préservant le style de nage naturel des animaux.

« Notre équipe de recherche a posé deux questions interconnectées », explique Owaki. « Premièrement, pouvons-nous identifier un motif d'impulsion que la méduse accepte, lui permettant de nager à des vitesses prédéterminées sans stress excessif? Deuxièmement, une fois que les méduses répondent à ces signaux, pouvons-nous développer un outil d'IA compact capable de prédire son mouvement dans toutes les directions?

L'équipe d'Owaki comprenait également Max Austin, professeur adjoint, et Kohei Nakajima, professeur agrégé, tous deux du Département de mécano-informatique de la Graduate School of Information Science and Technology, l'Université de Tokyo, ainsi que Shuhei Ikeda et Kazuya Okuizu de Kamo aquarium à Tsuruoka City, Yamagata.

L'équipe a positionné des électrodes miniatures sur l'anneau musculaire de la gelée et a livré de brèves impulsions électriques toutes les 1,5 à 2 secondes. Chaque événement de natation a été enregistré à l'aide d'une caméra avec deux miroirs, et la trajectoire tridimensionnelle complète a été reconstruite sur un ordinateur portable.

Le timing d'impulsion le plus efficace aligné sur le rythme naturel de la méduse, entraînant une vitesse de nage accrue. Ces données ont ensuite été entrées dans un modèle hybride hybride léger du « réservoir physique » qui intègre le corps de la méduse en tant que composant intégral du système de calcul. Le modèle a démontré une précision suffisante pour prédire les vitesses futures dans toutes les directions transversales.

« Nous avons été intrigués de découvrir que les signaux de contrôle les plus efficaces n'étaient pas les impulsions rapides, mais plutôt celles qui reflétaient le rythme naturel de la méduse », ajoute Owaki. « Les tentatives d'utiliser des impulsions plus fortes ou plus rapides ont conduit à une diminution de l'efficacité de natation et d'un mouvement erratique, soulignant l'importance de s'aligner sur les rythmes de la nature, plutôt que de les opposer. »

L'idée d'un organisme vivant agissant comme un dispositif de calcul peut ressembler à de la science-fiction, mais il a le potentiel de révolutionner plusieurs domaines. En robotique, les organismes à corps doux pourraient inspirer des innovations dans les conceptions qui présentent des propriétés auto-guérison et flexibles. Dans la recherche sur le climat, les flottes de méduses de Cyborg pourraient naviguer dans les océans pendant de longues périodes, cartographier la température, la salinité et la pollution plastique sans avoir besoin de batteries. Cette étude relie ainsi les sciences marines et l'ingénierie grâce au développement d'un nageur Cyborg unique et doux.

Les méduses ont été choisies pour cette recherche en raison de leur remarquable efficacité de natation chez les animaux marins, ce qui en fait un modèle idéal pour explorer la synergie entre les systèmes biologiques et le matériel simple. L'observation de ces créatures gracieuses qui glissent dans l'eau ont inspiré l'équipe de recherche à développer une technologie qui s'harmonise, plutôt que de perturber les écosystèmes vivants.