Благодаря гибким проволокам из жидкого металла, заключенным в силиконовую оболочку, крыло воспринимает изменения давления и течения воды, имитируя то, как рыбы и птицы воспринимают окружающую среду.
Инженеры из Саутгемптона, Эдинбурга и Делфта интегрировали жидкую металлическую электронную кожу и проприоцептивные датчики в мягкое роботизированное крыло.
Проприоцепция — это внутренняя карта, которая точно сообщает птицам и рыбам, где находятся их конечности или плавники и как они двигаются.
Эта конструкция, вдохновленная биологическими процессами, позволяет подводным роботам автономно изменять форму и достигать уровня устойчивости в турбулентных течениях, недостижимого для стандартных жестких крыльев.
В ходе испытаний усовершенствованное крыло нейтрализовало 87 процентов турбулентности, которая обычно сбивает с курса обычные подводные аппараты.
«Океанская среда динамична и непредсказуема, поэтому роботы должны постоянно отслеживать происходящее вокруг и реагировать соответствующим образом», — сказал профессор Блэр Торнтон, соавтор исследования из Университета Саутгемптона.
«Новые подходы продемонстрировали эффективное движение с использованием мягких материалов, но интеграция этих материалов для датчиков и управления приближает мягких роботов к адаптивным системам, необходимым для надежной работы в естественных подводных условиях», — добавил Торнтон.
Проприоцептивная электронная кожа
Океан — хаотичное место. Чтобы робот мог там надежно работать, он должен быть таким же реактивным, как акула, и таким же эффективным, как тунец.
Жесткие и тяжелые подводные роботы легко сбиваются с курса из-за блуждающего течения и борются с водой, а не движутся вместе с ней.
Кроме того, эти роботы тратят много энергии на борьбу с непредсказуемыми волнами и течениями.
Опираясь на механику жидкостей, изучаемую птицами и рыбами, исследователи разработали биоинспирированное роботизированное крыло, которое автономно адаптируется к турбулентности воды.
Используя систему «обнаружения и реагирования», крыло обнаруживает изменения в потоке воды и мгновенно изменяет свою физическую форму для поддержания устойчивости.
Переход от жестких конструкций к адаптивной, мягкой робототехнике позволяет крылу нейтрализовать подводные возмущения.
«Вместо того чтобы создавать более „прочных“ роботов, предназначенных для борьбы с мощью океана, мы движемся к созданию более интеллектуальных и щадящих машин, которые работают в синергии с окружающей средой», — сказал Лео Миклем, ведущий автор исследования.
Конструкция имитирует проприоцепцию.
Природная проприоцепция позволяет птицам чувствовать ветер через перья, а рыбам — движение воды через плавники и кожу, помогая им сохранять идеальное равновесие.
В нем используется высокотехнологичная электронная кожа, состоящая из гибких проводов из жидкого металла, встроенных в силикон, которая функционирует как синтетическая нервная система, «чувствуя» изменяющиеся водные течения.
Когда эти нервы ощущают изгиб крыла, они активируют внутренние гидравлические трубки, которые автоматически регулируют жесткость и форму крыла.
Этот цикл восприятия и реагирования позволяет роботу мгновенно адаптировать свою физическую форму для поддержания идеального равновесия.
В 5 раз более энергоэффективный
Для проверки конструкции новое крыло было протестировано в сравнении как со стандартными жесткими крыльями, так и с базовыми мягкими крыльями в различных условиях турбулентности.
Результаты показали, что стабилизационные характеристики адаптивного крыла почти вдвое превышают аналогичные показатели планирующей сипухи.
Исследователи отмечают, что сравнение машин и животных — сложная задача, но данные подтверждают, что это сенсорное крыло значительно превосходит существующие подводные технологии в поддержании равновесия при внезапных возмущениях.
Интересно, что это крыло работает быстрее и дешевле в эксплуатации: оно реагирует в четыре раза быстрее, чем другие гибкие крылья, и потребляет в пять раз меньше энергии, чем системы, которые изменяют свою форму за счет тепла.
Однако остаются проблемы с масштабированием технологии для крупных глубоководных судов.
Тем не менее, это может проложить путь к созданию более безопасных и маневренных роботизированных исследовательских аппаратов, способных преодолевать экстремальную подводную турбулентность, не разряжая батареи, чтобы оставаться на заданном курсе.
Результаты были опубликованы в журнале npj Robotics.
Sourse: interestingengineering.com
