Robot paling zoekt naar bronnen van waterverontreiniging

Onderzoekers van de EPFL Universiteit in Zwitserland hebben, samen met andere instituten, een robot paling ontwikkeld die door verontreinigd water zwemt en de bron van de vervuiling probeert te vinden. De met sensors uitgeruste robot kan autonoom werken maar ook op afstand worden bestuurd. In tests uitgevoerd in het Meer van Genève, kon de robot kaarten van water-geleidbaarheid en water-temperatuur genereren.

EPFL-onderzoekers nemen deel aan een ambitieus project dat wordt gefinancierd door het Zwitserse NanoTera-programma om een ​​zwemmende robot te ontwikkelen die de bron van watervervuiling kan detecteren.

De robot paling, genaamd Envirobot, is uitgerust met chemische, fysieke en biologische sensoren en heeft een lengte van bijna 1,5 meter. Het beweegt door water als een paling, zonder dat het modder opdwarrelt of het aquatische leven verstoort.

De sensoren verrichten metingen op verschillende plaatsen in het water en versturen de gegevens in real-time naar een computer. De robot wordt regelmatig getest in het meer van Genève. Een recente test betrof een simulatie van watervervuiling door zout in een klein gebied aan de oevers te verspreiden, waardoor de geleidbaarheid van het water veranderd wordt.

De onderzoekers laten de robot dan in het besmette gebied zwemmen. De robot heeft de variaties in geleidbaarheid succesvol aangepast en een temperatuurkaart gegenereerd. Het ultieme doel is dat de robot zware metalen zoals kwik of andere verontreinigende stoffen kan detecteren.

“Er zijn veel voordelen bij het gebruik van zwemmende robots. Zij kunnen metingen doen en ons gegevens in real-time sturen – veel sneller dan als we meetstations hadden opgezet rondom het meer. En in vergelijking met conventionele propeller-aangedreven onderwater robots, is er minder kans dat de robot paling vast komt te zitten in algen of takken.

Bovendien produceren ze minder kielzog, zodat ze niet zo veel verontreinigende stoffen verspreiden, “zegt Auke Ijspeert, hoofd van EPFL’s Biorobotics Laboratory (BioRob).

“De Envirobot kan een voorgeprogrammeerde weg volgen, en heeft ook de mogelijkheid om eigen beslissingen te nemen en zelfstandig de bron van verontreiniging op te sporen.” De robot zou bijvoorbeeld kunnen gaan zwemmen in de richting van toenemende toxiciteit.

Sensoren die bestaan ​​uit bacteriën, schaaldieren en viscellen
De robot bestaat uit tal van modules die elk een kleine elektrische motor bevatten om de kromming te veranderen, waardoor het glad door het water beweegt. Het modulaire ontwerp laat toe dat ingenieurs met het aantal modules de lengte van de robot paling naar wens kan aanpassen.

“De robot kan gemakkelijk in elkaar worden gezet en uit elkaar worden gehaald, zegt Behzad Bayat, een andere BioRob-onderzoeker. Sommige modules bevatten geleidingsvermogen en temperatuursensoren, terwijl anderen kleine, verfijnde kamers hebben die zich met water vullen als de robot zwemt.

Deze kamers bevatten geminiaturiseerde biologische sensoren die zowel bacteriën, kleine schaaldieren of viscellen bevatten. De sensoren werken door te observeren hoe deze organismen reageren wanneer ze in aanraking komen met het water. Hierdoor wordt aangegeven of er bepaalde belangrijke vervuilende stoffen aanwezig zijn en van de water toxiciteit in het algemeen.

De sensoren hebben zich al effectief in laboratorium experimenten bewezen. “Bijvoorbeeld, ontwikkelden we bacteriën die licht genereren wanneer deze blootgesteld worden aan zeer lage concentraties kwik. We kunnen die veranderingen detecteren met behulp van luminometers en dan de gegevens doorgeven in de vorm van elektrische signalen, “zegt Jan Roelof van der Meer, projectcoördinator en hoofd van de afdeling fundamentele microbiologie aan de universiteit van Lausanne.

Een andere methode is het gebruik van twee compartimenten gevuld met Daphnia, dit zijn kleine schaaldieren die voortdurend bewegen. Een compartiment is blootgesteld aan het geanalyseerde water en de andere bevat schoon water. “De beweging van Daphnia wordt beïnvloed door water toxiciteit. Door de veranderingen in hun beweging ten opzichte van de controlegroep te vergelijken, kunnen we een idee krijgen van hoe giftig het water is, “zegt Van der Meer.

En een derde methode bestaat uit het kweken van viscellen rechtstreeks op elektroden. Wanneer toxinen aanwezig zijn, worden de cellen verstoord en raken ze elkaar niet meer aan. Dat onderbreekt de stroom van elektriciteit – een verandering die gemakkelijk kan worden gedetecteerd.

Voorlopig heeft het projectteam alleen de geleidbaarheids- en temperatuursensoren in het veld getest. Tests van de biologische sensoren zijn moeilijker uit te voeren. “We kunnen natuurlijk geen heel meer verontreinigen zoals we bij het proefwater in ons lab doen,” zegt Van der Meer.

Maar er zijn meer testen gepland voor deze zomer. “Vooralsnog zullen we zout gebruiken als vervuiling totdat de robot de bron van de vervuiling gemakkelijk kan vinden. Dan zullen we biologische sensoren aan de robot toevoegen en tests uitvoeren met giftige verbindingen, “zegt hij.