Forandringer i havene – Nicole Xu

Bioniske glassmaneter kan gi nye svar på forandringer i havet

Forskere håper teknologien også kan hjelpe mennesker med nerveskader i fremtiden.

Disse manetene blir utstyrt med enheter som får de til å svømme opp til 2,8 ganger raskere enn de gjør naturlig.
Disse manetene blir utstyrt med enheter som får de til å svømme opp til 2,8 ganger raskere enn de gjør naturlig. (Foto: Niclas Bergh Bugge)

Forskere håper teknologien også kan hjelpe mennesker med nerveskader i fremtiden.

Palo Alto, California: I kjelleren i Jerry Yang and Akiko Yamazaki Environment and Energy-bygget ved Stanford University, møter vi PhD-kandidat Nicole Xu. Sammen med Caltech-professor John Dabiri har hun i seks år forsket på hvordan man kan få kontroll over glassmaneters bevegelser, i et håp om bedre å forstå forandringer som skjer i havene over tid. 29. januar i år publiserte de funnene de har gjort så langt i journalen Science Advances.

Nicole Xu viser frem den tilsynelatende enkle enheten som gir kraft til manetene. Foto: Niclas Bergh Bugge

– Dette er hvordan det ser ut når vi setter sammen alle komponentene, sier hun.

Hun holder opp hva som ligner på en bruskork gjennomboret av en tannpirker, med to ledninger som henger ut. På enden av hver ledning henger elektroder som blir hektet direkte på musklene til manetene.

– Vi har en serie med mikroelektronikk som får plass i denne korken, også har vi en måte å feste den til dyret på. Etter mye prøving og feiling med forskjellige typer lim som ikke ville sitte fast, endte vi opp med å bruke en tannpirker. Tannpirkeren har mothaker man ikke kan føle, men som sitter godt fast i vevet deres. Disse dyrene leges veldig fort, så selv om det virker skummelt eller slemt å bruke en tannpirker, så blir de ikke skadet i det hele tatt.

Korken huser også et lite batteri, i tillegg til en mikrokontroll som fungerer som hjernen til robotsystemet. For å gi elektrisk stimuli til enheten, brukes en pulsgenerator som tradisjonelt blir brukt til å stimulere hjerteceller.

Les også

Kan gi forskere mer data og nye svar

Avhengig av hvilke sensorer man monterer på disse enhetene, er det mange forskjellige svar man kan få ved å benytte glassmaneter. De umiddelbare bruksområdene de har sett for seg med denne teknologien, er å putte på sensorer som måler temperatur, pH-verdi og saltinnhold for å se hvordan miljøet er på nåværende tidspunkt, og om vannet blir varmere over tid.

– Det er også mulig å utruste de med kameraer, for å se om det er dyrearter der ute vi ennå ikke har funnet, eller om det er oppførsel vi ikke har observert. Mange tenker kanskje at alt man trenger å gjøre er å putte en sensor på et stort dyr, som en hval eller en hai, siden de kan svømme lengre distanser. Det er bare én løsning. Det vi har utviklet er en annen type løsning, i et hav av løsninger. Ved å bruke glassmaneter, siden de finnes på så mange forskjellige steder, er dette potensielt en annen måte å øke prosentandelen av havet som vi har utforsket. Jeg tror tallene sier at vi har utforsket mellom 5 og 20 prosent av havene, forklarer Nicole.

Geomapping aktuelt

Glassmaneter er blant få organismer som kan bli funnet i alt fra varme til kalde vann, ekstremt salte vann og vann som har like lite salt som blod. Dette gjør de til ypperlige kandidater for denne typen forskning.

– Det er overraskende at et dyr som ikke lever i ferskvann kan leve i så mange forskjellige miljøer, men det kan altså glassmanetene. Å finne en organisme som kan leve i alle disse stedene, og som kan takle trykkforandringer, er vanskelig. Disse manetene tilpasser seg trykket ved å svømme sakte nok nedover i havdypet til at kroppene deres justerer likevekten.

I fremtiden er det også mulig at disse biohybrid-robotiske fartøyene kan brukes til geomapping, hvor de utstyres med sensorer som kan skape et detaljert kart over havbunnen.

– Spørsmålet er hvilke andre steder vi kan utforske ved hjelp av disse dyrene, i tillegg til eksisterende teknologi. Vi har ubåter og andre undervannsfartøy som måler uvurderlig informasjon for oss, men det er begrensninger i disse fartøyene, og vi tror manetene kan nå steder vi ellers ikke får utforsket.

Neste steg: Fullstendig kontroll

Per i dag kan denne teknologien kun skape elektriske pulser i manetene slik at de går fremover i én retning. For at det skal bli mulig å rekke ned i de dypeste kroker av havbunnen, er det nødvendig med mer presis styring av dyrenes bevegelser.

Enhet for å gi kraft til glassmaneter
Her ser vi komponentene som huses i korken, og hvordan den blir implantert i en manet. Illustrasjonsfoto: Nicole Xu/Stanford, John Dabiri/Caltech, Rebecca Konte/Caltech

– Neste runde eksperimenter går ut på nettopp dette. Siden vi har dette systemet med to elektroder, klarer vi å få dyrene til å svømme symmetrisk. Dersom vi bare bruker én elektrode, kan vi få dyret til å svømme i mer kurvede baner.

Forskernes ultimate mål er å innlemme asymmetrier i systemet, i tillegg til en kontroll/feedback-mekanisme. Da skal dyret kunne føle posisjonen og orienteringen sin og tilpasse seg dette dynamisk.

Ett av funnene forskerne har gjort under dette arbeidet, er at de kan få glassmaneter til å svømme 2,8 ganger raskere enn de gjør i naturen, samtidig som de bare bruker dobbelt så mye energi. Sammenlignet med andre svømmende robotfartøy, er dyrene opptil tusen ganger så energieffektive.

– Dette har vi funnet ut ved å sammenligne kraft per masseenhet – hvor mye kraft som kreves av systemet, og massen på hele enheten. Spesielt maneter har et lavt metabolsk forbruk. Siden begrensningene i systemet vårt ligger i størrelsen på batterier, ser vi nå på måter vi kan lære fra metabolismen til manetene, slik at vi i fremtiden kan bruke bevegelsene deres til å lade batteriet, og dermed kan ha dette systemet slått på over lengre tid.

Få etiske dilemmaer foreløpig

Hver gang det skal utføres eksperimenter på levende organismer, være seg dyr eller mennesker, er det alltid etiske spørsmål som dukker opp. Selv om Xu sier hun synes etikk er interessant og komplisert, ser hun ingen umiddelbare problemer med å forske på maneter.

– Det fine med å bruke glassmaneter, er at dette er virvelløse dyr; de har ikke hjerne, de har ikke et sentralnervesystem, de har ikke smertereseptorer. Så vi trenger ikke bekymre oss om det akkurat nå, selv om vi tenker nøye igjennom etikken før vi utfører noe. For eksempel tester vi ikke hundrevis av dyr om gangen, vi bruker heller et titalls. Nok til å få et statistisk datasett, men ikke så mange at vi får dårlig samvittighet av mengden vi tester.

Manetene i denne tanken er ypperlige kandidater for denne typen forskning, da de verken har hjerne, sentralnervesystem eller smertereseptorer. Foto: Niclas Bergh Bugge

Samtidig som de passer på å ikke teste unødvendig mange dyr om gangen, monitorerer de også tegn på stress hos manetene.

Det mest vanlige tegnet på stress er at de avsondrer slim for å beskytte seg selv, noe forskerne så langt ikke har sett under testingen. De sørger også for å la dyrene få hvile lenge nok mellom hver gang de testes.

– Vi bruker sammenlignbare prinsipper som det som brukes i pacemakere og i nevromuskulær elektronisk stimulering. Vi har ikke bare som formål å få manetene til å gjøre akkurat det vi vil de skal gjøre. Det jeg ser oss gjøre i fremtiden, er å få dyrene til å svømme til et bestemt sted i havet, for å så slå av den elektriske stimulien. Men vi lar sensorene være på, slik at dyrene kan samle data for oss samtidig som de lever livet sitt som vanlig, forteller Nicole.

Les også

Mer komplisert enn det virker på overflaten

Noe som overrasket forskerne da funnene ble kjent, var at mange stilte spørsmål til idéen og dets eventuelle bruksområder.

– De spurte hva slags behov man har for å bruke glassmaneter, at det virker veldig rart og «sci-fi». Når jeg forteller de om hvor energieffektive de er og hvordan man kan finne dem i så varierte undervannsmiljøer, innser de at det er mange typer forskning der ute med utallige bruksområder. Å forenkle dette arbeidet ned til én setning, som å «skape bioniske maneter» yter det ikke rettferdighet. Det forklarer ikke hvordan dette kan hjelpe mennesker eller hvordan det kan brukes til å observere endringer i klimaet.

Selv om Nicole ikke forventer at mennesker integrerer seg med teknologi i nærmeste fremtid, mener hun at dette arbeidet potensielt kan bidra til å hjelpe mennesker med nevromuskulære vanskeligheter.

– Hvis vi innerverer musklene og skaper muskelsammentrekninger, så kan dette hjelpe folk få tilbake kontroll over disse kroppsdelene. Dette er noe som allerede skjer med bioniske exoskjeletter. For disse menneskene er det virkelig hjelpsomt å ha noe som kan stimulere forskjellige deler av hjernen. Men før vi begynner å eksperimentere med implantater og lignende i større dyr eller mennesker, er det mange etiske diskusjoner som må has av samfunnet som helhet, avslutter hun.

Siden arbeidet fortsatt er pågående, er det enda usikkert når disse bioniske glassmanetene kan slippes ut i det fri.

Les også

Kommentarer (1)

Kommentarer (1)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå