Ingenieurs van de University of California, Riverside (UCR) hebben belangrijke inzichten ontdekt in de manier waarop pijlstaartroggen zwemmen, waaruit blijkt dat hun golvende bewegingen niet alleen voor de show zijn: ze zijn een verfijnde aanpassing om de stabiliteit te behouden in uitdagende onderwateromgevingen. Een op maat gemaakte robotvin, ontworpen om de voortbeweging van roggen na te bootsen, werd getest in gecontroleerde watertunnels, wat leidde tot de verrassende bevinding dat roggen nabij de zeebodem de neerwaartse krachten actief tegengaan door hun vinnen subtiel naar boven te kantelen.
De evolutie van Ray Locomotion
Pijlstaartroggen vertonen verschillende zwemstijlen, afhankelijk van hun leefgebied. Terwijl pelagische roggen (in de open oceaan) met flapperende bewegingen glijden, gebruiken benthische roggen (die op de bodem leven) een golfachtige golving die in lijn ligt met de stromingen op de zeebodem. Deze golvende stijl is bijzonder efficiënt en hergebruikt energie uit het water om de weerstand te verminderen. Onderzoekers vermoedden dat deze divergentie een evolutionaire reactie was op de fysica van verschillende omgevingen, een theorie die ze wilden bewijzen.
Het robotvinexperiment
Om hun hypothese te testen, creëerde het UCR-team een 9,5 millimeter dikke siliconen robotvin en dompelde deze onder in een gespecialiseerde watertunnel die de oceaanstroming simuleerde. De bedoeling was om te observeren hoe de lift de vin op verschillende diepten beïnvloedde. Onverwachts ondervond de vin een neerwaartse trek nabij de zeebodem – het tegenovergestelde van wat was voorspeld.
Door de hoek van de vin aan te passen, ontdekten ze dat het slechts een paar graden naar boven kantelen de negatieve lift neutraliseerde. Dit suggereert dat natuurlijke pijlstaartroggen instinctief met een lichte opwaartse vinhoek zwemmen, waardoor ze de druk kunnen overwinnen die hen naar de zeebodem duwt. De golvende beweging zorgde ook consequent voor een grotere afstand tot de zeebodem dan fladderen, wat de effectiviteit ervan in benthische omgevingen versterkte.
Implicaties voor robotica en daarbuiten
Deze bevindingen hebben aanzienlijke implicaties voor het ontwerp van onderwatervoertuigen. De principes achter het zwemmen met pijlstaartroggen zouden energie-efficiëntere en sluipende robots kunnen inspireren. Onderzoekers onderzoeken deze mogelijkheden al, met eerder werk onder meer op weefsel gebaseerde en biohybride robots die worden aangedreven door hartcellen, elektroden of zelfs rattenspieren. Het uiteindelijke doel is om onderwatervoertuigen te creëren die de natuurlijke efficiëntie en stille werking van een straal nabootsen.
“De natuur lijkt het probleem al te hebben opgelost”, aldus Yuanhang Zhu, een werktuigbouwkundig ingenieur van UCR. Dit benadrukt de blijvende relevantie van biologische systemen als blauwdrukken voor toekomstige technologieën.
De studie benadrukt hoe evolutie oplossingen voor fysieke uitdagingen optimaliseert, en hoe het begrijpen van deze oplossingen innovatie in robotica en onderwatertechniek kan stimuleren.
