Anatomia da nadadeira do peixe-remo inspira design de robô submarino silencioso

Nadadeiras do peixe-remo inspiram um tipo mais silencioso de robô submarino

Quando o roboticista Rob Shepherd começou a trabalhar em um grande robô submarino destinado a nadar silenciosamente para não assustar as criaturas marinhas, ele procurou referências de design em um lugar inesperado: o peixe-remo. Esse peixe de vários metros de comprimento, raramente encontrado por humanos, move-se pela água com uma nadadeira dorsal em forma de fita que ondula em ondas. Esse sistema de propulsão por ondas, suspeitou Shepherd, poderia se traduzir em princípios de engenharia para uma máquina que desliza em vez de se debater.

Para entender melhor o peixe, Shepherd contatou Willy Bemis, um ictiólogo aposentado de Cornell. Bemis, professor emérito de ecologia e biologia evolutiva na Faculdade de Agricultura e Ciências da Vida, lembrou que Shepherd ligou expressando interesse no peixe-remo — e Bemis disse que o interesse era mútuo. Essa breve troca iniciou uma colaboração para investigar os incomuns raios da nadadeira dorsal do peixe-remo.

Uma anatomia construída para propulsão por ondas

Os peixes-remo são animais impressionantes, com corpos em forma de fita e distribuição global. Apenas duas espécies são reconhecidas, e elas habitam oceanos ao redor do mundo em profundidades de até cerca de 305 metros (1.000 pés). São enormes: estima-se que os maiores indivíduos atinjam cerca de 8 metros, ou quase 26 pés, o que torna o peixe-remo gigante o maior peixe ósseo vivo. Mesmo assim, esses gigantes se alimentam de pequenos crustáceos, e não de presas grandes.

Sua nadadeira dorsal os distingue. Ela contém centenas de estruturas esqueléticas semelhantes a ossos chamadas raios da nadadeira, que se projetam das costas do peixe. Esses raios não apenas enrijecem a nadadeira; eles se movem em uma sequência coordenada, criando ondas ao longo da membrana que os conecta. As ondas viajantes impulsionam o peixe para frente. O resultado é uma forma suave e contínua de propulsão, bem diferente das caudas oscilantes ou apêndices batentes usados por muitos outros peixes.

• Duas espécies reconhecidas de peixe-remo estão distribuídas pelos oceanos do mundo.
• Eles podem viver em profundidades de até cerca de 305 metros (1.000 pés).
• O peixe-remo gigante pode atingir cerca de 8 metros de comprimento, tornando-o o maior peixe ósseo.
• Sua dieta é composta de pequenos crustáceos.
• Centenas de raios da nadadeira dorsal trabalham juntos para criar ondas propulsoras.

Um primeiro olhar sobre os raios da nadadeira semelhantes a joysticks

Um novo estudo publicado em 30 de setembro na revista Ichthyology and Herpetology fornece a primeira descrição da anatomia e da série de músculos que permitem a cada um dos raios da nadadeira do peixe-remo girar independentemente em um círculo completo. O movimento foi comparado a um joystick, e dá ao peixe controle preciso e multidirecional sobre raios individuais — uma capacidade que ajuda a explicar como a nadadeira pode gerar ondas tão complexas.

Bemis é o autor sênior do artigo. Shepherd, o John F. Carr Professor de Engenharia Mecânica na Cornell Duffield College of Engineering, é coautor. Gabriel Afonso, ex-pesquisador visitante no laboratório de Bemis e agora estudante de doutorado no Virginia Institute of Marine Science, é o primeiro autor.

Controle independente no nível de um único raio

A capacidade de cada raio de girar em um círculo completo significa que a nadadeira não é uma lâmina passiva. Em vez disso, é um arranjo ativamente controlado de centenas de elementos móveis. Ao ajustar a orientação de raios individuais, o peixe pode moldar a onda que viaja ao longo da membrana da nadadeira, ajustando o impulso que produz. Para engenheiros, esse tipo de controle distribuído e refinado é atraente: sugere um sistema de propulsão que pode ser modulado sem grandes peças móveis ruidosas.

Por que os peixes-remo são tão difíceis de estudar

Muito sobre o peixe-remo permanece misterioso, e a dificuldade de estudá-los é uma razão importante. Quando os peixes morrem, seus corpos tendem a se dividir em segmentos, então espécimes intactos são raros. Isso torna o trabalho anatômico desafiador e ajuda a explicar por que questões básicas sobre seus raios de nadadeira ficaram sem resposta por tanto tempo. O relato detalhado do novo artigo sobre os músculos dos raios da nadadeira, portanto, preenche uma lacuna notável.

O habitat profundo dos animais adiciona outro obstáculo. Vivendo centenas de pés abaixo da superfície, eles são raramente observados vivos, e seu tamanho e fragilidade complicam os esforços para coletá-los ou examiná-los. A colaboração entre um roboticista e um ictiólogo ofereceu um caminho a seguir: questões de engenharia sobre propulsão destacaram características anatômicas que não haviam sido totalmente descritas, enquanto a biologia do peixe forneceu um modelo natural para o robô.

Do peixe de águas profundas ao design de engenharia

O apelo do peixe-remo para a robótica está em sua quietude. Um grande robô submarino que se move com ondas viajantes ao longo de uma nadadeira flexível poderia operar com menos movimentos abruptos de alta energia, reduzindo a perturbação que cria. Isso importa para missões nas quais o objetivo é observar a vida marinha sem alterar seu comportamento. Um veículo que desliza pela água com um movimento contínuo e ondulatório pode se aproximar mais de se misturar ao ambiente do que um movido por hélices ou foils oscilantes.

O peixe-remo também demonstra que tal sistema pode funcionar em grande escala. O corpo do peixe pode atingir vários metros de comprimento, e sua nadadeira ainda produz propulsão eficaz através da ação coordenada de centenas de raios. Isso sugere que o princípio subjacente pode ser ampliado, o que é relevante para um robô descrito como grande.

O que a pesquisa pode significar para a robótica marinha

O estudo não apresenta um robô pronto; ele estabelece a base anatômica que poderia informar um. Ao documentar como cada raio da nadadeira é musculado e controlado, os pesquisadores dão aos engenheiros um modelo para se inspirar. Um veículo futuro pode imitar os raios da nadadeira com elementos individualmente acionados que giram para gerar uma onda viajante. Tal design poderia oferecer tanto furtividade quanto manobrabilidade, permitindo que um robô paire, gire ou acelere reconfigurando a onda em vez de mudar a velocidade de uma hélice.

Ainda há questões práticas a resolver. Construir centenas de elementos de rotação independente em um veículo marinho exigiria atuadores robustos e compactos e um sistema de controle capaz de coordená-los. O ambiente oceânico é corrosivo e imprevisível, e uma membrana de nadadeira flexível deve suportar flexões repetidas. No entanto, o sistema biológico mostra que esses desafios são solucionáveis em princípio: o peixe-remo vem fazendo isso há milhões de anos.

Um organismo modelo para propulsão silenciosa

A pesquisa também ressalta o valor do trabalho interdisciplinar. Shepherd trouxe um problema de engenharia — como nadar silenciosamente em escala — para Bemis, que trouxe décadas de experiência ictiológica. Seu esforço conjunto, com Afonso como primeiro autor, produziu uma descrição da anatomia dos raios da nadadeira que estava faltando. É um lembrete de que algumas das ideias de design mais úteis podem estar escondidas em organismos raramente vistos e difíceis de coletar.

Por enquanto, a nadadeira do peixe-remo permanece tanto um enigma biológico quanto uma inspiração de engenharia. À medida que os roboticistas buscam maneiras de explorar o oceano com mínima perturbação, a nadadeira em forma de fita do peixe e suas centenas de raios semelhantes a joysticks oferecem um modelo convincente — um que pode eventualmente ajudar grandes robôs submarinos a nadar tão silenciosamente quanto os animais que eles foram construídos para observar.

Este artigo é baseado em reportagem do Phys.org. Leia o artigo original.