Cảm biến khám phá đại dương lấy cảm hứng từ sứa

Sử dụng thiết kế lấy cảm hứng từ một trong những “thủy thủ” giỏi nhất đại dương, một nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins đang phát triển một cảm biến chi phí thấp để quan sát đại dương. Các cảm biến được mô phỏng theo Velella velella, là những sinh vật giống như sứa trôi nổi trên bề mặt đại dương.

Các nền tảng cảm biến mới - được phát triển với sự hỗ trợ của Văn phòng Nghiên cứu Hải quân và phối hợp với Trường Cao học Hải quân và một công ty kỹ thuật điện hàng không vũ trụ địa phương - kết hợp các thiết bị điện tử công suất thấp tiên tiến có thể đo các yếu tố đại dương chính, chẳng hạn như độ mặn, nhiệt độ và vị trí. Dữ liệu sau đó được truyền đến các nhà nghiên cứu bằng cách sử dụng liên lạc vệ tinh để giám sát toàn cầu theo thời gian thực.

Đo độ mặn

Muối làm cho nước đặc hơn, và trong khi lưu thông nước mặt chủ yếu do gió bề mặt, thì sự thay đổi độ dày và nhiệt độ của nước biển sẽ tạo ra các dòng hải lưu sâu dưới bề mặt. Các mô hình lưu thông đại dương toàn cầu cho thấy các dòng hải lưu sâu do độ dày này đóng một vai trò quan trọng trong việc điều hòa khí hậu của hành tinh chúng ta, cũng như các chu kỳ chất dinh dưỡng và carbon dioxide của đại dương.

Độ mặn là một trong những đặc điểm vật lý quan trọng nhất của nước biển. Nó ảnh hưởng đến mật độ của nước, khả năng hòa tan của các chất khác trong nước và sức căng bề mặt của nước. Độ mặn của nước biển thay đổi từ nơi này sang nơi khác và theo thời gian.

Mặc dù các vệ tinh có khả năng thu thập dữ liệu độ mặn từ các phần lớn của đại dương, dữ liệu từ phao và các thiết bị trong nước, chẳng hạn như cảm biến Velella velella, cung cấp các tư liệu có độ phân giải cao rõ ràng hơn.

"Nếu chúng ta có thể theo dõi tốt hơn sức khỏe đại dương và môi trường trên khắp thế giới đang thay đổi như thế nào, thì chúng ta có thể đưa ra quyết định tốt hơn về cách giảm thiểu hoặc thích ứng với những thay đổi đó" - Leslie Hamilton, một kỹ sư khoa học vật liệu APL cho biết.

Mô phỏng theo thiên nhiên

Velella velella, được mệnh danh là "những người đi thuyền theo gió", là những sinh vật được lấy cảm hứng cho cảm biến của APL. Chúng tạo thành những đàn lớn và ăn sinh vật phù du khi trôi nổi trên biển, được đẩy bởi gió tác động lên phần rìa của chúng. Để các cảm biến sinh học có thể tích hợp công nghệ cao như vậy trong một cơ thể nhỏ, nhiều thành phần là đa chức năng.

"Rìa không chỉ cánh buồm thu thập gió, nó còn là một tính năng để chứa các thành phần điện, như ăng-ten, cần phải nằm trên mực nước biển," Kyle Lowery, một kỹ sư thiết kế cơ khí tại APL cho biết. "Và phần dưới của Velella velella của chúng tôi giống như một tàu keel, đồng thời chứa phần lớn phần cứng điện tử, cung cấp một vị trí thuận tiện cho cảm biến độ mặn và hạ thấp trọng tâm của cảm biến để ổn định."

Ở những khu vực khan hiếm chất dinh dưỡng và sinh vật phù du, Velella velella thực sự có thể thu được sức mạnh của mặt trời bằng cách sử dụng các tế bào tảo cộng sinh và sau đó biến sức mạnh đó thành năng lượng thông qua một quá trình tương tự như quang hợp. Mỗi cảm biến silicone lấy cảm hứng từ Velella của APL cũng thu hoạch năng lượng của mặt trời, sử dụng hai mảng năng lượng mặt trời phía trên vây của nó để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ bé của nó.

"Khi nó trôi nổi trong đại dương, năng lượng mặt trời sẽ sạc lại pin," Kỹ sư điện APL Daniel Ayoub nói. Cảm biến độ mặn sẽ là ngập nước và liên tục đo mức độ mặn.

Cảm biến thủy sinh thích ứng

Các thiết bị điện tử, có thể được điều chỉnh cho nhiều mục đích nghiên cứu khác nhau, được thiết kế để báo cáo định kỳ nhiệt độ, vị trí và độ mặn qua thông tin liên lạc vệ tinh. Để kiểm tra các khả năng này, một nguyên mẫu thiết bị điện tử ban đầu đã được triển khai qua khí cầu thời tiết từ bờ biển Delaware. Nguyên mẫu hiện đang ở giữa Đại Tây Dương và đã báo cáo vị trí và nhiệt độ nhiều lần trong ngày trong hơn 20 tuần.

Để thực hiện các bài kiểm tra độ nổi ban đầu, nhóm nghiên cứu đã đặt các cảm biến nổi trên bề mặt ao của APL. Sau đó, họ đã thả cảm biến ở Thái Bình Dương. Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Trường Cao học Hải quân đã triển khai phiên bản mới nhất của thiết kế của họ ở Monterey, California. Cảm biến hiện đang được neo vào một bến tàu để tiếp tục thử nghiệm và đánh giá trong môi trường đại dương thực.

Trong các giai đoạn thử nghiệm trong tương lai, các nhà nghiên cứu sẽ triển khai một bộ các thiết bị giống như cấu trúc trường học tự nhiên của Velella velella và có khả năng cung cấp các tập dữ liệu đại dương quan trọng lớn hơn.