《美国科学家打造海洋环境监测机器人》

  • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者: zhoubz
  • 发布时间:2017-02-16
  • 浮游生物(plankton)体型细小,悬浮在水层中且游动能力很差,不过这些生物如何抵达它们想要去的地方呢?近日科学家受浮游生物行为的启发,研制出一种能用于监测周围海洋环境的水下机器人。 20年前加州圣地亚哥大学斯克里普斯海洋学研究所的生物海洋学家Peter Franks曾提出了一个数学理论,认为浮游生物通过所谓的“内波”帮助它们高密度聚集在一起。他的想法是,浮游生物借助这些缓慢移动的水底“暗流”大规模聚集在一起,以达到寻找食物及繁殖等目的。海洋中浮游生物暴发性繁殖会引起“赤潮”现象。

    由于技术有限,Franks始终无法证实他的理论。在其同事Jules Jaffe的帮助下,Franks通过机器人版本的“浮游生物”获得了一些答案。这种水下机器人称为微型自动水下探险家(M-AUE),通过温度等其他传感器来监测海洋环境。 它们能够随着海水移动,并能像真正的浮游生物一样在前进过程中调整它们的浮力。该团队进行了一项实验,将16个M-AUE水下机器人部署在一片海域中,机器人被设定保持在水下10米深的位置,并通过声学信号每隔12秒收集关于它们轨迹的信息。研究人员发现,这些“内波”可以帮助这些机器人浮游生物聚集在一起。该项研究结果发表在《自然•通讯》杂志上。

    (吴昊 编辑)

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    • 1月14日消息 全球首个活体机器人诞生了!美国佛蒙特大学计算机科学家和塔夫茨大学生物学家共同创造出100%使用青蛙DNA的可编程的活体机器人xenobots,这项最新的研究结果已经于2020年1月13日在美国国家科学院院刊上发表。 这些机器的名字来源于非洲爪蛙(Xenopus laevis),这也是为其提供干细胞的青蛙种类,机器人的宽度不到一毫米(0.04英寸),能按照计算机程序设计的路线移动,还能负载一定的重量,可以在人体内部移动。他们可以步行、游泳,没有食物也可以生存数周,并且可以一同合作工作。 佛蒙特大学说,这些是“完全新的生命形式”。 干细胞是非专业细胞,具有发展为不同细胞类型的能力。研究人员从青蛙胚胎中刮取了活的干细胞,并使其孵化。然后,根据佛蒙特大学的新闻稿,这些细胞被切割并重塑成由超级计算机设计的特定“身体形态”,即“自然界从未见过的形态”。 然后这些细胞开始孵化,皮肤细胞形成机器人的整体结构,而心肌细胞进行搏动使机器人能够自行移动。Xenobot甚至具有自我修复功能,当科学家把它们进行切割时,机器人会自行愈合并继续移动。 佛蒙特大学的首席研究员之一约书亚·邦加德(Joshua Bongard)在新闻稿中说:“这些都是新颖的活体机器。”“它们既不是传统的机器人,也不是已知的动物物种。它是一类新的人工制品:一种活的可编程生物。” Xenobot机器人看起来不像传统的机器人,它们没有闪亮的齿轮或机械臂。取而代之的是,它们看起来更像是一团移动的肉团。研究人员说,这是有意的,这种“生物机器”可以实现钢铁和塑料机器人通常无法做到的事情。 研究人员在周一发表于《美国国家科学院院刊》上的研究中说,传统的机器人“随着时间的流逝会退化,并可能产生有害的生态和健康副作用。”而生物机器人对人类健康更环保,更安全。 这些生物机器人预先装载了自己的脂质和蛋白质沉积物食物来源,使它们能够生存一周以上的时间,但它们无法繁殖或进化。但是,在营养丰富的环境中,它们的寿命可以长达几周。 这项研究表明,这种活体机器人有可能被用于许多任务,该研究部分由美国国防高级研究计划局提供资金,该局是监督军事技术发展的联邦机构。Xenobots可用于清除放射性废物,在海洋中收集微塑料,在人体内部运输药物,甚至进入我们的动脉以清除斑块。活体机器人可以在水性环境中存活几天甚至几周,而无需额外的营养,这使它们适合体内药物输送。 除了这些直接的实际任务,活体机器人还可以帮助研究人员更多地了解细胞生物学,从而为人类健康和长寿的未来发展打开大门。 研究人员说:“如果我们可以按需制作3D生物形式,我们可以修复先天缺陷,将肿瘤重编程为正常组织,在外伤或退行性疾病后再生并战胜衰老。”这项研究可能“对再生医学产生巨大影响(构建身体部位并诱导再生)。”
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    • 作为美国水产养殖国家战略投资计划的一部分,NOAA海洋基金(Sea Grant)基金资助了利用下一代机器人传感器技术监测沿海水域致病微藻的新系统PhytO-ARM。 由伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)生物学家领导的团队开发的PhytO-ARM系统(浮游植物自动化实时监测管理系统,Phytoplankton Observing for Automated Real-time Management)将极大地提高对有害藻类爆发(HAB)和毒素威的检测能力。该系统以基于Web的、用户友好仪表盘界面,为水产养殖者、管理部门和其他相关用户提供详细、实时的有关有害藻华爆发的信息。浮游植物是沿海水域蛤蜊和牡蛎重要的食物来源,但是一些浮游植物产生的毒素会在贝类中累积,并对人类及其他食用受污染贝类的动物构成威胁。由该系统提供的信息,具有保护人类健康、提高水产养殖效益的巨大潜力。 PhytO-ARM系统集成耦合了两个强大的传感器:Imaging FlowCytobot(IFCB)和Environmental Sample Processor(ESP)。其中IFCB可以连续记录浮游植物的显微镜图像并实时识别它们;ESP是一种高容量环境样品处理器,可以快速地识别物种和毒素。 该系统一方面可以实时监测生物毒素,提醒对人类造成严重甚至致命反应的生物毒素是否存在。另一方面,该系统还能够监测物种。例如,拟菱形藻和鳍藻都能产生毒素使贝类生物死亡。利用PhytO-ARM传感器,管理者可以检测和监测潜在有毒浮游植物细胞是否存在。 作为新的Sea Grant项目的一部分,更多的PhytO-ARM系统未来将在美国东北部和佛罗里达州的多个地点部署。研究人员希望该系统能够被贝类水产养殖业者广泛采用,以指导他们及时预防和避免藻类水华爆发造成的危害。 (刘晓琳 编译)