I gamberi pistola ispirano un artiglio robot che spara plasma

I gamberi pistola, sono una contraddizione peculiare. Di pochi centimetri di lunghezza, brandisce una chela di dimensioni proporzionate e un’altra massiccia che scatta con così tanta forza da stordire le prede con la sua onda d’urto. Le due chele lavorano insieme, le bolle si formano e poi rapidamente collassano, sparando un proiettile di plasma che a sua volta produce un lampo di luce e una temperatura di 8.000 gradi Fahrenheit (circa 4426,667°C). Esatto: creature sottomarine che entrerebbero nel palmo di una mano, armate di bolle esplosive incredibilmente bollenti.

Il primo modello 3D

L’ingegnere meccanico texano David Staack ha capito che questa versatilità potrebbe essere utile anche per gli umani. La sua squadra ha iniziato a procurarsi alcuni gamberi pistola vivi. Come altri artropodi, questi animali fanno la muta periodicamente, perdendo i loro esoscheletri mentre crescono. Quegli esoscheletri diedero a Staack un bel modello 3D della chela. Questo lo mandò a Shapeways, il servizio di stampa 3D commerciale, e ricevette la versione in plastica della pistola al plasma dei pistoleri.

Ciò permise a Staack di sperimentare sulla struttura unica dell’arto. La metà superiore dell’artiglio, che i gamberi ritraggono e bloccano, include uno “stantuffo“, che sbatte in una “presa” nella metà inferiore dell’artiglio. Questo crea un flusso d’acqua che si muove rapidamente e produce bolle, note anche in questa situazione come cavitazione.

“Questo ci ha ricordato una trappola per topi”, dice. “Così abbiamo fatto alcuni esperimenti in cui abbiamo messo alcune trappole per topi sott’acqua solo per vedere quanto velocemente il piccolo braccio ruotasse mentre lo avevi attivato. Abbiamo preso l’idea della trappola per topi e l’abbiamo applicata come un modo per spezzare l’artiglio.”

La versione robotica funziona come quella reale del gambero

Nella versione di Staack dell’artiglio, la sua metà superiore ruota rapidamente su un’asta caricata a molla, creando una forza sufficiente a sbattere lo stantuffo nella presa. Questa azione genera un flusso di acqua ad alta velocità che a sua volta produce una bolla di cavitazione, che inizialmente è a bassa pressione e relativamente grande. Ma poi inizia a crollare.

“L’acqua spinge, spinge e spinge, e tu ottieni pressioni e temperature molto alte“, aggiunge. Le temperature sono così alte, infatti, che creano plasma a emissione di luce, che si può anche vedere quando il gambero della pistola scatta il suo artiglio. “Mentre cerca di respingere l’acqua, emette un’onda d’urto.” È così che il crostaceo stende la sua preda in natura.

Nel laboratorio, i ricercatori hanno usato telecamere ad alta velocità per osservare il getto d’acqua che si scatena dal loro artiglio. Esaminano anche le onde d’urto risultanti, catturando il bagliore della luce mentre il plasma si forma.

I gamberi pistola non sono gli unici ad usare il plasma sott’acqua

I gamberi a pistola non hanno il monopolio sulla generazione di plasma sott’acqua. Le persone saldano sott’acqua usando il plasma, noto come saldatura ad arco plasma, che produce calore intenso. Il problema è che quei mezzi sono inefficienti. L’uso dell’artiglio per generare plasma è 10 volte più efficiente di quelli precedentemente esplorati, secondo Staack. Tuttavia, richiederà uno sviluppo maggiore su scala.

Potrebbe anche diventare ancora più efficiente, perché i ricercatori non hanno bisogno di seguire fedelmente la biologia dei gamberi pistola. In effetti, Staack si rese conto che potevano tagliare le dimensioni della punta superiore dell’artiglio. Nel gambero pistola reale, presenta dei bubboni perché contiene i muscoli necessari per azionare l’arto. Ma questa versione robotica non è vincolata da quella biologia.

Dopo l’imitazione, c’è bisogno di migliorare

“Replicare ciò che l’animale fa è il primo passo“, afferma la biologa dell’Università di Stanford, Rachel Crane, che ha contribuito a sviluppare Ninjabot, un dispositivo che replica il colpo dei gamberi mantide, che similmente produce bolle di cavitazione. “Allora puoi guardarlo e capire: sì, non ho bisogno di un muscolo gigante, e quindi posso tagliare questa parte. Quindi puoi progettare un sistema migliore. ”

I ricercatori potrebbero anche voler guardare indietro alla natura per trovare modi per modificare il sistema. Centinaia di specie di gamberi pistola vivono nel mare, ognuna con una sua chela univoca. Questo e persino gli individui all’interno di una specie variano nella loro morfologia.

“Il substrato per l’evoluzione, l’unico motivo per cui oggi abbiamo gamberi pistola di tutte queste varietà diverse, è dovuto alla variazione individuale“, afferma la biologa Sheila Patek, che studia lo schioppo dei gamberi mantide. Così, mentre i ricercatori possono apportare le proprie modifiche alla loro chela robot , possono anche trarre ispirazione dall’intrinseca diversità dei gamberi pistola per giocare con morfologie di artiglio diverse da quella originariamente stampata in 3D.

Quella diversità potrebbe un giorno vedere un dispositivo ispirato ai gamberi pistola usato in una serie di campi. Un approccio sarebbe quello di utilizzare i plasma generati dagli artigli per perforare la roccia, come fa il crostaceo in natura per creare una casa in una barriera corallina. Oppure si potrebbe usare il sistema per la depurazione dell’acqua suddividendo l’acqua nelle sue parti costituenti, che formano un perossido. “Questi perossidi possono quindi attaccare i contaminanti organici nell’acqua”, afferma Staack. “Se stai pensando di pulire l’acqua municipale o di pulire le acque reflue, l’efficienza diventa molto importante.”