Zespół badaczy pobił własny rekord najszybszego pływającego miękkiego robota, czerpiąc inspirację z mant, aby poprawić ich zdolność do kontrolowania ruchu robota w wodzie.
„Dwa lata temu zademonstrowaliśmy wodnego miękkiego robota, który był w stanie osiągnąć średnią prędkość 3,74 długości ciała na sekundę” – mówi Jie Yin, autorka korespondencyjna artykułu na temat tych prac oraz profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i lotniczej w Karolinie Północnej Uniwersytet Państwowy. „Udoskonaliliśmy tę konstrukcję. Nasz nowy miękki robot jest bardziej energooszczędny i osiąga prędkość 6,8 długości ciała na sekundę. Ponadto poprzedni model mógł pływać tylko po powierzchni wody. Nasz nowy robot potrafi pływać w górę i w dół w całym słupie wody.”
Miękki robot ma płetwy w kształcie manty i jest wykonany z materiału, który jest stabilny, gdy płetwy są szeroko rozłożone. Płetwy są przymocowane do elastycznego, silikonowego korpusu zawierającego komorę, którą można napompować powietrzem. Nadmuchanie komory powietrznej powoduje wygięcie płetw – podobnie jak w przypadku ruchu w dół, gdy manta macha płetwami. Kiedy powietrze zostanie wypuszczone z komory, płetwy samoistnie wracają do pierwotnego położenia.
„Pompowanie powietrza do komory wprowadza energię do układu” – mówi Haitao Qing, pierwszy autor artykułu i doktorant. student NC State. „Płetwy chcą powrócić do swojego stabilnego stanu, więc wypuszczenie powietrza powoduje również uwolnienie energii w żebrach. Oznacza to, że potrzebujemy tylko jednego siłownika dla robota i pozwalamy na szybsze uruchamianie”.
Badanie dynamiki płynów mant również odegrało kluczową rolę w kontrolowaniu ruchu pionowego miękkiego robota.
„Obserwowaliśmy ruch mant w wodzie i byliśmy w stanie naśladować to zachowanie, aby kontrolować, czy robot płynie w kierunku powierzchni, płynie w dół, czy też utrzymuje swoją pozycję w słupie wody” – mówi Jiacheng Guo, współautor książki artykuł i doktorat student Uniwersytetu Wirginii. „Kiedy manty pływają, wytwarzają dwa strumienie wody, które popychają je do przodu. Manty zmieniają swoją trajektorię, zmieniając ruch pływania. Przyjęliśmy podobną technikę kontrolowania ruchu pionowego tego pływającego robota. Wciąż pracujemy nad technikami, które zapewni nam dobrą kontrolę nad ruchami bocznymi.”
„W szczególności symulacje i eksperymenty pokazały nam, że strumień skierowany w dół wytwarzany przez naszego robota jest silniejszy niż strumień skierowany w górę” – mówi Yuanhang Zhu, współautor artykułu i adiunkt inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside. „Jeśli robot szybko macha płetwami, uniesie się w górę. Jeśli jednak zmniejszymy częstotliwość uruchamiania, robot może lekko opaść pomiędzy machaniem płetwami, co pozwala mu albo zanurkować w dół, albo pływać na tej samej głębokości. “
„Kolejnym czynnikiem, który ma znaczenie, jest to, że zasilamy tego robota sprężonym powietrzem” – mówi Qing. „Jest to istotne, ponieważ gdy płetwy robota są w spoczynku, komora powietrzna jest pusta, co zmniejsza pływalność robota. A gdy robot macha powoli płetwami, płetwy częściej pozostają w spoczynku. Innymi słowy, im szybciej robot trzepocze jego płetwy, tym dłużej komora powietrzna jest pełna, co zwiększa jej pływalność.
Naukowcy zademonstrowali funkcjonalność miękkiego robota na dwa różne sposoby. Po pierwsze, w jednej iteracji robota udało się pokonać tor przeszkód rozmieszczonych na powierzchni i dnie zbiornika na wodę. Po drugie, badacze wykazali, że nieuwiązany robot był w stanie unieść ładunek po powierzchni wody, w tym własne powietrze i źródło zasilania.
„To skomplikowany projekt, ale podstawowe koncepcje są dość proste” – mówi Yin. „Za pomocą tylko jednego sygnału uruchamiającego nasz robot może poruszać się w złożonym środowisku pionowym. Obecnie pracujemy nad ulepszeniem ruchu bocznego i badamy inne tryby uruchamiania, które znacznie zwiększą możliwości tego systemu. Naszym celem jest osiągnięcie tego za pomocą projekt, który zachowuje tę elegancką prostotę.”
Artykuł zatytułowany „Spontaniczne przepływy strumieniowe wywołane przyciąganiem dla szybkiego, manewrowego pływaka na powierzchni i pod wodą z miękkim trzepotaniem” opublikowano w czasopiśmie Science Advances w otwartym dostępie. Współautorami artykułu są Yinding Chi i Yaoye Hong, były doktorant. studenci stanu NC; oraz Daniela Quinna i Haibo Donga z UVA.
Niniejsza praca została wykonana przy wsparciu National Science Foundation w ramach grantów 2126072 i 2329674; oraz z Office of Naval Research w ramach grantu N00014-22-1-2616.