Новый робот-тунец прокладывает путь к более проворным подводным роботам и дронам.
Ключевые выводы
- Современные подводные роботы и дроны, как правило, оптимизированы для передвижения по воде с одной скоростью.
- Рыбы ускоряются и замедляются, регулируя жесткость своего хвоста, и исследователи взломали формулу для этого.
- Экспериментальный робот-тунец - первый робот, который может мчаться сквозь воду или медленно плыть по воде.
Подводные роботы полезны для изучения объектов в глубоком море, от кораблекрушений до новых форм жизни. Но они страдают некоторыми ограничениями. Например, они имеют тенденцию двигаться с одной скоростью, и их операторы должны бросить их в воду рядом с желаемым местом. Водолазные транспортные средства - в основном, подводные скутеры - быстры, но они приближаются к чему-то, что заслуживает лучшего взгляда.
Что нужно, так это подводный робот, который может мчаться по воде в отдаленное место, а затем замедляться для более тщательного изучения. Это сложнее, чем может показаться.
Однако исследователи из Университета Вирджинии придумали, как создать роботизированный аппарат, который будет делать именно это, имитируя твердость рыбьего хвоста, а также обнаружив и применяя красивую простую математическую формулу. В результате робот почти так же хорош, как рыба в ускорении и замедлении. Их работа опубликована в журнале Science Robotics.
Рыбная загадка решена
«Иметь одну жесткость хвоста - это как иметь одно передаточное число на велосипеде», - говорит соавтор Дэн Куинн. «Вы были бы эффективны только на одной скорости. Это было бы похоже на поездку по Сан-Франциско на велосипеде с фиксированной передачей; ты устанешь уже через несколько кварталов».
Куинн и его коллега Цян Чжун говорят, что предполагается, что рыба изменяет жесткость своего хвоста, чтобы удовлетворить свою потребность в скорости. К сожалению, это трудно подтвердить или измерить, когда рыба плавает, поэтому требуемая жесткость, необходимая для эффективного движения на разных скоростях, была неизвестна. Итак, Куинн и Чжун объединили гидродинамику и биомеханику, чтобы разработать модель, которая могла бы дать ответ и, как говорит Чжун, «раскрыть давнюю загадку о том, как жесткость хвоста влияет на эффективность плавания».
Решение головоломки оказалось неожиданно элегантным. «Удивительно, - рассказал Куинн, - из всей математики вышел простой результат: жесткость должна увеличиваться с квадратом скорости плавания».
Тунец проходит тест
Чтобы проверить свои выводы, пара построила похожего на тунца подводного робота с программируемым искусственным сухожилием, с помощью которого жесткость его хвоста можно было настроить для разных скоростей, когда он двигался по испытательному водному каналу. «Произошло то, - вспоминает Куинн, - что внезапно наш робот смог плавать в более широком диапазоне скоростей, используя почти вдвое меньше энергии, чем тот же робот с хвостом с фиксированной жесткостью. Улучшение было действительно заметным».
Чжун высоко оценивает их междисциплинарный подход, говоря: «Мы сосредоточены не только на теоретическом анализе, но и на предложении практического руководства по настраиваемой жесткости. Предлагаемая нами стратегия настраиваемой жесткости доказала свою эффективность в реалистичных плавательных миссиях, когда рыба-робот достигла высокой скорости и высокой эффективности плавания одновременно».
Продемонстрировав свою теорию с помощью настраиваемого тунца, они заинтересованы в том, чтобы перенести технологию своего хвоста на водных роботов размером от головастиков до дельфинов.«Я не думаю, что в ближайшее время у нас закончатся проекты, - говорит Куинн. «Каждое водное животное, на которое мы смотрели, дало нам новые идеи о том, как построить лучших плавающих роботов. И в море еще много рыбы.”
В настоящее время дуэт разрабатывает волнообразный робот на основе скатов.