30/07/2024
Door Ad Spijkers
Apparaten om omgevingsdata te verzamelen kunnen op oceaanbacteriën draaien.
Bij het zien van de foto bij dit bericht moest ik direct denken aan Het schrijverke van Guido Gezelle: "O krinklende winklende waterding, met 't zwarte kabotseken aan. Wat zien ik toch geren uw kopke flink al schrijven op 't waterke gaan!". Onderzoekers van Binghamton University (300 km noordwestelijk van New York City) hebben een zelfvoorzienende 'insect' ontwikkeld dat over water kan glijden. Ze hopen dat hun vinding een revolutie in aquatische robotica veroorzaakt.
Meer dan een biljoen nodes
Futuristen voorspellen dat tegen 2035 meer dan een biljoen autonome knooppunten in alle menselijke activiteiten zullen zijn geïntegreerd als onderdeel van het 'internet of things'. Binnenkort zal vrijwel elk object — groot of klein — informatie aan een centrale database doorgeven zonder dat menselijke tussenkomst nodig is.
Wat dit idee lastig maakt, is dat 71% van het aardoppervlak bedekt is met water en aquatische omgevingen kritieke milieu- en logistieke problemen opleveren. Om deze uitdagingen te overwegen, is de U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) een programma gestart genaamd Ocean of Things.
De afgelopen tien jaar hebben onderzoekers aan de Binghamton University onderzoeksfinanciering ontvangen van het Office of Naval Research om door bacteriën aangestuurde biobatterijen te ontwikkelen die mogelijk honderd jaar houdbaar zijn. Daarop ontwikkelden ze de zelfvoorzienende bug.
Sporen en bacteriën
De nieuwe waterrobots gebruiken technologie die betrouwbaarder is onder ongunstige omstandigheden dan zonne-, kinetische of thermische energiesystemen. Een Janus-interface, die aan de ene kant hydrofiel en aan de andere kant hydrofoob is, laat voedingsstoffen uit het water binnen en houdt ze in het apparaat om de productie van bacteriële sporen te stimuleren.
Als de omgeving gunstig is voor de bacteriën, worden ze vegetatieve cellen en genereren ze energie. Maar als de omstandigheden niet gunstig zijn - bijvoorbeeld als het erg koud is of de voedingsstoffen niet beschikbaar zijn - keren ze terug naar sporen. Op die manier kunnen exploitanten de operationele levensduur verlengen.
Het onderzoek toonde aan dat de energieopwekking bijna 1 mW bedraagt. Dat is genoeg om de mechanische beweging van de robot te bedienen en alle sensoren die omgevingsgegevens kunnen bijhouden. Ze meten onder meer de watertemperatuur, vervuilingsniveaus, bewegingen van schepen en vliegtuigen en het gedrag van waterdieren.
Vooruitzichten
Dat de robots overal naartoe kunnen worden gestuurd waar ze nodig zijn, is een duidelijke verbetering ten opzichte van de huidige 'slimme vlotters', stationaire sensoren die op één plek zijn verankerd. De volgende stap in het verfijnen van deze waterrobots is het testen welke bacteriën het beste zijn voor het produceren van energie onder stressvolle oceaanomstandigheden.
De onderzoekers gebruikten veelvoorkomende bacteriële cellen, maar moeten verder onderzoek doen om te weten wat er daadwerkelijk leeft in delen van de oceaan. Eerder hebben ze aangetoond dat de combinatie van meerdere bacteriële cellen de duurzaamheid en kracht kan verbeteren. Mogelijk kunnen ze met behulp van machine learning de optimale combinatie van bacteriële soorten vinden om de krachtdichtheid en duurzaamheid te verbeteren.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Ill.: Prof. Seokheun 'Sean' Choi