Robôs subaquáticos desenvolvidos por pesquisadores do Scripps Institution of Oceanography da University of California San Diego oferecem aos cientistas uma nova ferramenta extraordinária para estudar as correntes oceânicas e as minúsculas criaturas que elas transportam. Enxames desses robôs subaquáticos ajudaram a responder a algumas perguntas básicas sobre as formas de vida mais abundantes no oceano - o plâncton.

O oceanógrafo de pesquisa Scripps Jules Jaffe projetou e construiu os exploradores subaquáticos autônomos em miniatura, ou M-AUEs, estudar os processos ambientais de pequena escala que ocorrem no oceano. Os instrumentos de sondagem oceânica são equipados com sensores de temperatura e outros sensores para medir as condições do oceano ao redor, enquanto os robôs "nadam" para cima e para baixo para manter uma profundidade constante ajustando sua flutuabilidade. Os M-AUEs poderiam ser implantados em enxames de centenas a milhares para capturar uma visão tridimensional das interações entre as correntes oceânicas e a vida marinha.

Em um novo estudo publicado na edição de 24 de janeiro da revista Nature Communications , O oceanógrafo biológico Jaffe e Scripps, Peter Franks, implantou um enxame de 16 robôs subaquáticos do tamanho de uma toranja programados para imitar o comportamento de natação subaquático do plâncton, os organismos microscópicos que flutuam com as correntes oceânicas. O estudo de pesquisa foi projetado para testar teorias sobre como o plâncton forma manchas densas sob a superfície do oceano, que muitas vezes mais tarde se revelam na superfície como marés vermelhas.

"Esses patches podem funcionar como barras planctônicas simples, "disse Franks, que há muito suspeita que as densas agregações podem ajudar na alimentação, reprodução, e proteção contra predadores.

Duas décadas atrás, Franks publicou uma teoria matemática prevendo que o plâncton natatório formaria manchas densas quando empurrado por ondas internas - gigantes, ondas lentas abaixo da superfície do oceano. Testar sua teoria exigiria rastrear os movimentos do plâncton individual - cada um menor do que um grão de arroz - enquanto nadavam no oceano, o que não é possível com a tecnologia disponível.

Em vez disso, Jaffe inventou o "plâncton robótico" que flutua com as correntes do oceano, mas são programados para subir e descer ajustando sua flutuabilidade, imitando os movimentos do plâncton. Um enxame de plâncton robótico foi a ferramenta ideal para finalmente testar a teoria matemática de Franks.

"As grandes descobertas de engenharia foram tornar os M-AUEs pequenos, barato, e capaz de ser rastreado continuamente debaixo d'água, "disse Jaffe. O baixo custo permitiu que Jaffe e sua equipe construíssem um pequeno exército de robôs que poderiam ser implantados em um enxame.

Rastrear os M-AUEs individuais foi um desafio, pois o GPS não funciona embaixo d'água. Um componente chave do projeto foi o desenvolvimento por pesquisadores do Qualcomm Institute e do Departamento de Ciência da Computação e Engenharia da UC San Diego de técnicas matemáticas para usar sinais acústicos para rastrear os veículos M-AUE enquanto eles estavam submersos.

Durante um experimento de cinco horas, os pesquisadores da Scripps, juntamente com colegas da UC San Diego, implantaram um enxame de 300 metros (984 pés) de diâmetro de 16 M-AUEs programados para ficar a 10 metros (33 pés) de profundidade no oceano na costa de Torrey Pines, perto de La Jolla, Califórnia. Os M-AUEs ajustaram constantemente sua flutuabilidade para mover-se verticalmente contra as correntes criadas pelas ondas internas. As informações de localização tridimensionais coletadas a cada 12 segundos revelaram onde esse enxame robótico se movia abaixo da superfície do oceano.

Os resultados do estudo foram quase idênticos ao que Franks previu. As temperaturas do oceano ao redor flutuaram conforme as ondas internas passavam pelo enxame M-AUE. E, como previsto por Franks, os dados de localização do M-AUE mostraram que o enxame formou um patch compactado nas águas quentes das calhas das ondas internas, mas disperso sobre as cristas das ondas.

"Esta é a primeira vez que tal mecanismo foi testado debaixo d'água, "disse Franks. O experimento ajudou os pesquisadores a confirmar que o plâncton flutuante pode usar a dinâmica física do oceano - neste caso ondas internas - para aumentar suas concentrações e se reunir em enxames para atender às suas necessidades vitais fundamentais.

"Esta abordagem de detecção de enxame abre um novo reino de exploração do oceano, "disse Jaffe. Aumentar os M-AUEs com câmeras permitiria o mapeamento fotográfico dos habitats dos corais, ou "selfies de plâncton, "de acordo com Jaffe.

A equipe de pesquisa espera construir mais centenas de robôs em miniatura para estudar o movimento das larvas entre as áreas marinhas protegidas, monitorar a proliferação de marés vermelhas prejudiciais, e para ajudar a rastrear derramamentos de óleo. Os hidrofones a bordo que ajudam a rastrear os M-AUEs debaixo d'água também podem permitir que o enxame atue como uma "orelha" gigante no oceano, ouvir e localizar sons ambientais no oceano.

Jaffe, Franks, e seus colegas receberam quase US $ 1 milhão da National Science Foundation em 2009 para desenvolver e testar a nova geração de instrumentos de sondagem oceânica. Os co-autores do estudo incluem:Paul Roberts, principal engenheiro de desenvolvimento da Scripps, Ryan Kastner, professor do Departamento de Ciência da Computação e Engenharia; Diba Mirza, pesquisador pós-doutorado em ciência da computação; e Curt Schurgers, principal engenheiro de desenvolvimento do Qualcomm Institute, e o estagiário do estudante Scripps Adrien Boch.