Всего два года назад крошечный роботизированный скат манта стал самым быстроплавающим мягкотелым роботом в мире. Что ж, один из его потомков теперь побил этот рекорд — и он потребляет меньше энергии, чем его предшественник, к тому же.
Оригинальный робот длиной 22,8 мм был разработан доц. Цзе Инем и его коллегами из Университета штата Северная Каролина.
Он имел два гибких полиэфирных крыла, похожих на крылья манты, которые на самом деле были левым и правым концами одной изогнутой бистабильной структуры. Бистабильность относится к способности натянутой структуры оставаться в любом из двух положений без необходимости затрат энергии для этого — заколка для волос является хорошим примером бистабильной структуры.
Оригинальный робот, который имитировал как ската манта, так и баттерфляй человека. Университет штата Северная Каролина
Середина бистабильной конструкции крыла робота была зажата между верхним и нижним мягкими силиконовыми пневматическими приводами.
Когда воздух был закачан в верхний привод, он выгнулся вверх и потянул за середину конструкции крыла, заставив ее «защелкнуться» в положение, которое потянуло два крыла вниз. Когда верхний привод был сдут, а нижний надулся, конструкция защелкнулась в противоположном направлении, снова подняв крылья. Механизм продемонстрирован в следующем видео.
Мягкий робот-пловец, похожий на баттерфляй, который быстрый и эффективный
Активируя два привода вперед и назад таким образом (через внешний воздушный насос), можно было махать крыльями достаточно быстро для средней скорости плавания 3,74 длины тела в секунду. По словам ученых, это было примерно в четыре раза быстрее того, что ранее было возможно для мягкотелых плавающих роботов.
В 68-миллиметровом новомrobo-manta, Yin и его команда отказались от бистабильной конструкции вместе с нижним приводом. Гибкая структура крыла теперь моностабильна, то есть она всегда будет возвращаться только в одно положение — изогнутое вниз посередине с крыльями вверх — когда энергия не применяется.
Новый моностабильный робот-скат манта, изображенный здесь в своем положении по умолчаниюХайтао Цин, Университет штата Северная Каролина
При надувании одинарный верхний пневматический привод скручивается вниз и тянет вниз середину конструкции крыла, заставляя крылья щелкнуть вниз. Однако, как только приводу позволяют сдуться, упругая восстанавливающая сила конструкции заставляет его щелкнуть обратно в исходное положение, в результате чего крылья поднимаются вверх.
Таким образом, в то время как оригинальному роботу приходилось тратить время и энергию на попеременное надувание/сдувание двух приводов за цикл взмахов крыльев вверх и вниз, новому боту нужно активировать только один. Это улучшение дает роботу среднюю скорость плавания в колоссальные 6,8 длины тела в секунду, потребляя при этом в 1,6 раза меньше энергии, чем оригинал.
Вид спереди нового мягкотелого робота, вдохновленного скатом мантаХайтао Цин, Государственный университет Северной Каролины
Кроме того, новая конструкция позволяет боту перемещаться вертикально в толще воды, просто изменяя скорость плавания.
«Когда плавники робота находятся в состоянии покоя, воздушная камера пуста, что снижает плавучесть робота. А когда робот медленно машет плавниками, плавники чаще находятся в состоянии покоя», — говорит аспирант Хайтао Цин, первый автор исследования. «Другими словами, чем быстрее робот машет плавниками, тем больше времени воздушная камера заполнена, что делает его более плавучим».
Сейчас ученые работают над методом бокового управления роботом, имея в виду такие будущие приложения, как исследование океана и наблюдение за водной фауной. Вы можете увидеть его в действии на видео ниже.
Статья об исследовании была недавно опубликована в журнале Science Advances.
Быстрые и маневренные мягкие плавающие роботы, вдохновленные скатами манта
