Zainspirowani biomechaniką płaszczki, naukowcy z North Carolina State University opracowali energooszczędnego miękkiego robota, który może pływać ponad cztery razy szybciej niż poprzednie pływające miękkie roboty. Roboty nazywane są „robotami motylkowymi”, ponieważ ich ruch pływacki przypomina sposób, w jaki poruszają się ramiona osoby podczas pływania stylem motylkowym.
“Do tej pory pływające miękkie roboty nie były w stanie pływać szybciej niż jedna długość ciała na sekundę, ale zwierzęta morskie – takie jak manty – są w stanie pływać znacznie szybciej i znacznie wydajniej” – mówi Jie Yin, korespondent autor artykułu na temat pracy i profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i lotniczej w NC State. „Chcieliśmy wykorzystać biomechanikę tych zwierząt, aby sprawdzić, czy możemy opracować szybsze, bardziej energooszczędne miękkie roboty. Opracowane przez nas prototypy działają wyjątkowo dobrze”.
Naukowcy opracowali dwa typy botów motyli. Jeden został zbudowany specjalnie z myślą o szybkości i był w stanie osiągnąć średnią prędkość 3,74 długości ciała na sekundę. Drugi został zaprojektowany tak, aby był bardzo zwrotny, zdolny do wykonywania ostrych skrętów w prawo lub w lewo. Ten zwrotny prototyp był w stanie osiągnąć prędkość 1,7 długości ciała na sekundę.
„Naukowcy zajmujący się aerodynamiką i biomechaniką używają czegoś, co nazywa się liczbą Strouhala, do oceny efektywności energetycznej latających i pływających zwierząt” – mówi Yinding Chi, pierwszy autor artykułu i niedawny doktorant. absolwent NC State. „Szczytowa wydajność napędowa występuje, gdy zwierzę pływa lub leci z liczbą Strouhala między 0,2 a 0,4. Oba nasze motyle miały liczbę Strouhala w tym zakresie”.
Roboty-motyle czerpią siłę pływania ze swoich skrzydeł, które są „bistabilne”, co oznacza, że skrzydła mają dwa stabilne stany. Skrzydło jest podobne do zatrzaskowej spinki do włosów. Spinka do włosów jest stabilna, dopóki nie zastosujesz określonej energii (poprzez jej zgięcie). Kiedy ilość energii osiągnie punkt krytyczny, spinka do włosów przybiera inny kształt – który jest również stabilny.
W robotach-motylach bistabilne skrzydła inspirowane spinkami do włosów są przymocowane do miękkiego, silikonowego korpusu. Użytkownicy kontrolują przełączanie między dwoma stabilnymi stanami w skrzydłach, pompując powietrze do komór wewnątrz miękkiego korpusu. Gdy te komory napełniają się i opróżniają, ciało wygina się w górę iw dół – zmuszając skrzydła do trzaskania wraz z nim w przód iw tył.
„Większość wcześniejszych prób opracowania trzepoczących robotów koncentrowała się na wykorzystaniu silników do dostarczania mocy bezpośrednio do skrzydeł” – mówi Yin. „Nasze podejście wykorzystuje bistabilne skrzydła, które są pasywnie napędzane przez poruszanie centralnym korpusem. To ważne rozróżnienie, ponieważ pozwala na uproszczenie konstrukcji, co obniża wagę”.
Szybszy bot motyl ma tylko jedną „jednostkę napędową” – miękkie ciało – które kontroluje oba jego skrzydła. To sprawia, że bardzo szybko, ale trudno skręcić w lewo lub w prawo. Zwrotny motyl bot zasadniczo ma dwie jednostki napędowe, które są połączone obok siebie. Taka konstrukcja pozwala użytkownikom manipulować skrzydłami po obu stronach lub „trzepotać” tylko jednym skrzydłem, co umożliwia wykonywanie ostrych skrętów.
„Ta praca jest ekscytującym dowodem słuszności koncepcji, ale ma ograniczenia” — mówi Yin. „Oczywiście, obecne prototypy są połączone smukłymi rurkami, których używamy do pompowania powietrza do centralnych korpusów. Obecnie pracujemy nad opracowaniem swobodnej, autonomicznej wersji”.
Artykuł „Snapping for high-speed and high-performance, butterfly stroke-like soft swimmer” zostanie opublikowany 18 listopada w ogólnodostępnym czasopiśmie Science Advances. Współautorem artykułu jest dr Yaoye Hong. student w NC State; oraz Yao Zhao i Yanbin Li, którzy są naukowcami ze stopniem doktora w NC State. Praca została wykonana przy wsparciu Narodowej Fundacji Nauki w ramach grantów CMMI-2005374 i CMMI-2126072.
Film przedstawiający motyle-boty można znaleźć na stronie https://youtu.be/Pi-2pPDWC1w.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet Stanowy Karoliny Północnej. Oryginał napisany przez Matta Shipmana. Uwaga: treść może być edytowana pod kątem stylu i długości.