Globální znečištění planety je celosvětový velký problém. Způsobuje přibližně 9 miliónů předčasných úmrtí ročně, přičemž většina úmrtí, 6,5 milionu, je způsobena znečištěním ovzduší. Tento negativní jev se objevuje zejména v nízko či středně příjmových zemích. A aby toho nebylo málo, bylo zjištěno, že lidé (obzvláště ve více znečištěných oblastech) zkonzumují přibližně 5 gramů mikroplastů týdně, což jen tak pro zajímavost odpovídá hmotnosti jedné kreditní karty.
Abychom ale problém mohli začít řešit, potřebujeme data. Je to podobné, jako kdybyste byli manažer převzatého podniku a měli jste ho seřídit. Když nevíte, co kdo, kde, kdy a jak dělá, jen těžko budete moci vyřešit problém s organizací. To samé platí zde, chceme-li vyřešit problém se znečištěním oceánů, musíme nejprve zjistit informace, které k řešení přispějí. Z těchto důvodů se vědci z Binghamton University, State University of New York, rozhodli najít inovativní způsob v robotickém průmyslu. Konkrétně představili zajímavou novinku v oblasti vodní robotiky – miniaturního „brouka“, který dokáže elegantně surfovat po vodní hladině. Tato technologie by mohla znamenat zásadní průlom ve způsobu, jakým získáváme data z vodních ekosystémů.
Vize budoucnosti plné autonomních zařízení
Futurologové předpovídají, že do roku 2035 bude naše každodenní realita protkána více než bilionem autonomních zařízení, tvořících komplexní „internet věcí“ (IoT). Tento koncept předpokládá, že prakticky každý předmět – od nejmenšího senzoru po rozsáhlé systémy – bude schopen komunikovat a předávat informace do centrální databáze bez nutnosti lidského zásahu.
Realizace této vize však naráží na významnou překážku – 71 % povrchu naší planety pokrývají oceány a moře. Vodní prostředí představuje jedinečné výzvy jak z hlediska ekologie, tak z pohledu technické proveditelnosti.
Obrázek 1 – DALL-E 3: Země
Ocean of Things
V reakci na tyto výzvy zahájila americká Agentura pro pokročilé obranné výzkumné projekty (DARPA) ambiciózní program s názvem „Ocean of Things“.
Klíčovou roli v tomto výzkumu hraje profesor Seokheun „Sean“ Choi z Binghamton University. Jako člen fakulty Katedry elektrotechniky a výpočetní techniky na Thomas J. Watson School of Engineering and Applied Science a ředitel Centra pro výzkum pokročilých senzorových technologií a udržitelnosti životního prostředí (CREATES) se Choi již deset let věnuje vývoji biobaterií poháněných bakteriemi. Tyto revoluční zdroje energie by mohly fungovat přibližně až 100 let. Ve spolupráci s Anwarem Elhadadem, PhD ’24, a doktorandkou Yang „Lexi“ Gao vyvinul Choi zmíněného samostatně napájeného „brouka“.
Když se technika skloubí s organikou
Nově vyvinutí vodní roboti využívají pokročilou technologii biobaterií, která se ukazuje jako spolehlivější volba v náročných podmínkách oceánů než konvenční solární, kinetické či termální energetické systémy.
Klíčovým prvkem designu je tzv. Janusovo rozhraní – povrch, který je z jedné strany hydrofilní a z druhé hydrofobní. Toto důmyslné řešení umožňuje zařízení čerpat živiny z vody a zároveň je efektivně udržovat uvnitř, kde slouží k produkci bakteriálních spor. Spory jsou speciální odolné formy některých mikroorganismů (například hub či bakterií), které jim umožňují přežít nepříznivé podmínky v podobě radiace, extrémních teplot nebo sucha.
„Za příznivých podmínek se bakterie přemění na vegetativní buňky a produkují energii,“ vysvětluje Choi. „Když se podmínky zhorší – například při extrémním chladu nebo nedostatku živin – bakterie se vrátí do podoby spor. Tímto mechanismem dokážeme výrazně prodloužit životnost zařízení.“
Robotí perpetuum mobile
Výzkumný tým z Binghamtonu prokázal, že jejich zařízení dokáže generovat energii blížící se 1 miliwattu. To je dostatečný výkon pro pohon robota a napájení senzorů schopných monitorovat širokou škálu ekologických parametrů – od teploty vody přes úroveň znečištění až po pohyby plavidel, letadel či mořských živočichů.
Možnost vyslat tyto roboty kamkoli představuje významný pokrok oproti současným „chytrým bójím“, které jsou fixně ukotveny na jednom místě.
Obrázek 2 – DALL-E 3: Plastová láhev
Budoucí robotický potenciál v oceánech
Další fáze výzkumu se zaměří na identifikaci nejvhodnějších bakteriálních druhů pro produkci energie v náročných podmínkách oceánu.
„Zatím jsme pracovali s běžnými bakteriálními kmeny, ale musíme prozkoumat, jaké mikroorganismy skutečně prosperují v oceánských biotopech,“ říká Choi. „V předchozích studiích jsme prokázali, že kombinace různých bakteriálních druhů může výrazně zlepšit udržitelnost a výkon systému. To je další směr, kterým se chceme ubírat. Možná budeme moci s pomocí strojového učení najít optimální kombinaci bakteriálních druhů pro maximalizaci energetické hustoty a dlouhodobé udržitelnosti.“
S tímto inovativním přístupem se otevírají zcela nové možnosti pro výzkum a monitoring oceánů, což může mít dalekosáhlé důsledky pro naše pochopení mořských ekosystémů a jejich ochranu.
Shrnutí
- Výzkumníci z Binghamton University vyvinuli samostatně napájeného robota, který klouže po vodě a může sbírat ekologická data.
- Tento robot je napájen bakteriemi, což je spolehlivější za nepříznivých podmínek než solární nebo tepelné systémy.
- Technologie využívá Janusovo rozhraní pro vstřebávání živin a prodlužuje životnost zařízení díky bakteriálním sporám.
- Robot generuje energii blízko 1 miliwattu, což umožňuje sledovat teplotu vody, znečištění a pohyby lodí a zvířat.
Zdroj:
- ScienceDaily. (2024g, July 29). Robotics: Self-powered “bugs” can skim across water to detect environmental data. ScienceDaily. https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240729173341.htm
- Pollution is the “largest existential threat” to humans, killing 9 million each year. World Economic Forum. (n.d.). https://www.weforum.org/agenda/2022/05/pollution-largest-existential-threat-humans-9-million-deaths/
- Garnett, J. (2023, March 8). Microplastics are everywhere, including in our bodies. here’s what we know – and don’t know – about the impacts. KQED. https://www.kqed.org/news/11942296/microplastics-are-everywhere-including-in-our-bodies-what-we-know-and-dont-know-about-the-impacts
- You eat a credit card’s worth of plastic a week, research says. World Economic Forum. (n.d.-b). https://www.weforum.org/agenda/2019/06/you-eat-a-credit-card-s-worth-of-plastic-a-week-research-says/
