Los investigadores han desarrollado prototipos de insectos robóticos equipados con sensores que pueden imitar sistemas digestivos biológicos para satisfacer las necesidades energéticas y moverse por el agua como zancudos. En 2017, DARPA propuso un plan para desarrollar y desplegar miles de sensores flotantes destinados a recopilar "datos ambientales como la temperatura del océano, el estado y la ubicación del mar, así como datos sobre la actividad de barcos comerciales, aviones e incluso mamíferos marinos que se mueven a través del océano".
El proyecto se llama Ocean of Things y su esencia es similar a una gran cantidad de dispositivos inteligentes con sensores que recopilan información a través del Internet de las cosas. La página del proyecto indica que los datos de los sensores se cargarán en un almacenamiento en la nube propiedad del gobierno para su análisis. El "Océano de las Cosas" apoyará misiones militares y también está abierto a instituciones de investigación y organizaciones comerciales.
El profesor Seokheum Choi de la Universidad de Binghamton ha estado trabajando en un dispositivo de este tipo durante más de una década con financiación de la Oficina de Investigación Naval. Ahora, Choi y su equipo han desarrollado un pequeño robot acuático que puede deslizarse sobre el agua, impulsado por bacterias a bordo en lugar de sistemas de energía comunes como la energía solar, la electricidad o el calor.
"Estamos explorando activamente varias estrategias innovadoras para permitir que los robots autosostenibles recopilen energía directamente del entorno marino. Estas estrategias incluyen el aprovechamiento de la energía solar, la energía cinética generada por olas o corrientes, el potencial osmótico del agua salada, los gradientes térmicos y la energía impulsada por la humedad", señaló el equipo de investigación en el artículo.
"A pesar de la naturaleza innovadora de estos enfoques, la disponibilidad variable de energía luminosa y mecánica en entornos marinos, junto con la producción de energía relativamente baja a partir de gradientes de salinidad, diferencias térmicas y humedad, presentan desafíos importantes. Estas limitaciones obstaculizan la capacidad de garantizar un funcionamiento confiable y sostenido de robots acuáticos que dependen únicamente de las tecnologías actuales de recolección de energía".
La central eléctrica del nuevo sistema está construida alrededor de una pila de combustible microbiana que utiliza una bacteria formadora de esporas llamada Bacillus subtilis, un pequeño generador inspirado en el proceso de digestión biológica que convierte la materia orgánica en electricidad mediante una reacción catalítica de reducción-oxidación.
"Cuando las condiciones son favorables para las bacterias, se convierten en células asexuales y producen energía, pero cuando las condiciones son desfavorables (por ejemplo, hace mucho frío o no hay nutrientes) se convierten nuevamente en esporas. De esta manera, podemos extender la vida operativa", dijo Choi.
El ánodo de la pila de combustible está hecho de tela de carbono recubierta de polipirrol, un material elegido por su excelente conductividad y capacidad para soportar el crecimiento bacteriano. El cátodo aceptor de electrones también es de tela de carbono pero está decorado con platino recubierto de polipirrol, elegido por sus "propiedades catalíticas que aceleran la reducción de oxígeno". La última pieza del rompecabezas es la membrana Nafion117 para la transferencia selectiva de protones.
La unidad de energía integrada también presenta superficies hidrofóbicas e hidrofílicas adyacentes, lo que permite un "flujo unidireccional" de la "matriz orgánica" en el agua de mar para proporcionar nutrientes a las esporas bacterianas.
Un solo dispositivo de pila de combustible tenía una "densidad de potencia máxima de 135 µWcm-2 y un voltaje de circuito abierto de 0,54 V", pero al ampliarlo a una serie de seis celdas, la generación de energía observada alcanzó casi un milivatio. Esta salida puede ser relativamente pequeña en general, pero es suficiente para los pequeños motores de CC y los sensores integrados en la parte superior de la plataforma.
Los investigadores explican: "Para lograr un movimiento suave del agua, el robot utiliza la fuerza de rotación del motor para ejercer una fuerza de reacción sobre la plataforma, empujándola hacia adelante sobre la superficie del agua sin actuar directamente sobre el agua misma. Al mismo tiempo, "las propiedades hidrofóbicas ayudan a generar la principal fuerza de flotación". Las patas del pequeño robot también están tratadas con un revestimiento hidrofóbico para que pueda deslizarse sobre el agua como un zancudo".
Por lo tanto, el objetivo es poder implementar el recopilador de microdatos donde sea necesario en cualquier momento dado, en lugar de atarlo a un solo lugar durante toda su vida operativa.
El equipo de investigación señaló: "Si bien este trabajo demostró con éxito capacidades de movimiento autosostenidas en la superficie del agua impulsadas por una matriz MFC integrada, la exploración de aplicaciones prácticas como posicionamiento, detección, procesamiento de señales y transmisión de plataformas robóticas acuáticas sigue siendo un área inexplorada. Se necesita más trabajo sobre el rendimiento a largo plazo y la aplicabilidad en diferentes condiciones ambientales. Pero el sistema actual puede servir como prueba de concepto para diseños novedosos".
El artículo de investigación ha sido publicado en la revista Advanced Materials Technology.