Vodný robotický chrobák využíva na svoj pohon baktérie

Agentúra DARPA ešte v roku 2017 navrhla program na vývoj a rozmiestnenie tisícov plávajúcich senzorov zameraných na zber údajov o životnom prostredí, ako sú „teplota oceánu, stav a poloha mora, ako aj údaje o činnosti komerčných plavidiel, lietadiel a dokonca morských cicavcov pohybujúcich sa po oceáne“.

Projekt sa nazýva ako Oceán vecí (Ocean of Things - OoT) a je v podstate podobný množstvu inteligentných zariadení so senzormi, ktoré zhromažďujú informácie v rámci internetu vecí. Na stránke projektu sa uvádza, že údaje zo senzorov by sa nahrávali do vládneho cloudového úložiska na analýzu a že OoT by podporoval vojenské misie a zároveň by bol otvorený aj pre výskumné orgány a komerčné koncerny.

Profesor Seokheum Choi z Binghamtonskej univerzity pracuje práve na takomto zariadení už približne 10 rokov, pričom ho financuje Úrad pre námorný výskum. Choi a jeho tím teraz vyvinuli malého vodného robota, ktorý dokáže kĺzať po hladine a je poháňaný palubnými baktériami namiesto bežných energetických systémov, ako sú solárne, kinetické alebo tepelné.

„Výskumníci sa aktívne venujú rôznym inovatívnym stratégiám, aby umožnili vznik sebestačných robotov, ktoré získavajú energiu priamo zo svojho morského okolia,“ uvádza tím vo svojom článku. „Tieto stratégie zahŕňajú využívanie slnečnej energie, kinetickej energie z vĺn alebo prúdov, osmotického potenciálu slaných vôd, tepelných gradientov a zdrojov energie poháňaných vlhkosťou.“

„Napriek inovatívnej povahe týchto prístupov predstavuje premenlivá dostupnosť svetelnej a mechanickej energie v morskom prostredí v kombinácii s relatívne nízkymi energetickými výnosmi z gradientov slanosti, tepelných rozdielov a úrovne vlhkosti značné výzvy. Tieto obmedzenia bránia schopnosti zaručiť spoľahlivú a nepretržitú prevádzku vodných robotov výlučne na základe súčasných technológií získavania energie.“

Pohonná jednotka nového systému je postavená na mikrobiálnom palivovom článku využívajúcom baktérie tvoriace spóry známe ako Bacillus subtilis pre minigenerátor inšpirovaný biologickými tráviacimi procesmi, ktorý premieňa organické látky na elektrickú energiu prostredníctvom katalytických redukčno-oxidačných reakcií.

„Keď je prostredie pre baktérie priaznivé, stanú sa z nich vegetatívne bunky a vyrábajú energiu, ale keď podmienky nie sú priaznivé - napríklad je veľmi chladno alebo nie sú k dispozícii živiny - vrátia sa k tvorbe spór,“ povedal Choi. „Týmto spôsobom môžeme predĺžiť prevádzkovú životnosť.“

Anóda v palivovom článku je vytvorená z uhlíkovej tkaniny potiahnutej polypyrolom, ktorá bola vybraná pre svoju vynikajúcu vodivosť a schopnosť podporovať kolonizáciu baktérií. Katóda prijímajúca elektróny je tiež z uhlíkovej tkaniny, ale je zdobená platinou potiahnutou polypyrolom a vybraná pre svoje „katalytické vlastnosti na urýchlenie redukcie kyslíka“. Poslednou časťou skladačky je membrána Nafion 117 na selektívny prenos protónov.

Integrovaná elektráreň má aj priľahlé hydrofóbne a hydrofilné povrchy, ktoré umožňujú „jednosmerný tok organických substrátov“ z oceánskej vody, ktoré zásobujú spóry baktérií živinami.

Jedna zostava palivových článkov dokázala „dosiahnuť maximálnu hustotu výkonu 135 µW cm-2 a napätie otvoreného obvodu 0,54 V“, ale zväčšenie na sústavu šiestich jednotiek viedlo k pozorovanej produkcii energie takmer jeden miliwatt. Tento výkon je síce relatívne malý, ale postačuje pre malý jednosmerný motor, ktorý je umiestnený na vrchole platformy, ako aj pre palubné senzory.

„Na dosiahnutie plynulého vodného pohybu využíva robot rotačnú silu motora, ktorý pôsobí na platformu reakčnou silou, čím ju poháňa vpred po vodnej hladine bez priameho pôsobenia sily na samotnú vodu,“ vysvetlili výskumníci, pričom „hydrofóbna vlastnosť prispieva k hlavnej vztlakovej sile“.

Nohy malého robota boli tiež ošetrené hydrofóbnym povlakom, aby sa mohol kĺzať po vodnej hladine ako vodná korčuliarka.

Ide o to, aby bolo možné rozmiestniť flotily malých zberačov údajov tam, kde sú v danom čase potrebné, namiesto toho, aby boli pripútané k jednému miestu počas celej svojej životnosti.

„Hoci táto práca úspešne demonštruje sebestačnú mobilitu na vodných hladinách poháňanú integrovanou MFC sústavou, skúmanie praktických aplikácií, ako je lokalizácia, snímanie a spracovanie a prenos signálov vo vodných robotických platformách, zostáva oblasťou zrelou na vývoj,“ poznamenal tím.

Je tiež potrebné vykonať ďalšie práce na dlhodobom výkone a vhodnosti pre rôzne podmienky prostredia. Súčasný systém však slúži ako dôkaz funkčnosti konceptu nového dizajnu. Článok o výskume bol nedávno uverejnený v magazíne Advanced Materials Technologies.