Наш робот вдохновлен обыкновенной лунной медузой. Вильям Брэдберри / Shutterstock 

Некоторые из последних областей нетронутой дикой природы на Земле существуют под морями. Тем не менее, эти морские экосистемы находятся под угрозой из-за проектов глубоководной добычи полезных ископаемых, нефтяных вышек и морских ветряных электростанций. Когда эти объекты строятся и обслуживаются, они, как правило, наносят ущерб богатым экологическим сетям вокруг них.

Робототехники и инженеры работают над решением этой проблемы, ища новые способы создания машин, которые могли бы помочь в ремонте, обслуживании или проверке подводных компонентов растущей оффшорной индустрии. Под руководством коллег Тьерри Бухара и Габриэля Веймута из Университета Саутгемптона моя команда нашел решение для решения этой проблемы, создавая подводных роботов, вдохновленных самыми умными пловцами природы: сверхэффективными лунными медузами.

Традиционные водные роботы предназначены для двух основных целей: для эффективного, дальняя навигация на открытых участках воды и для задач, требующих высокой маневренности, вблизи подводных конструкций. Оба типа роботов эффективны, но немногие роботы сочетают эффективное перемещение с высокой маневренностью. Это означает, что большинство водных роботов слишком неповоротливы и неповоротливы, чтобы поддерживать оффшорную промышленность, не нанося при этом вреда подводной среде.

Действительно, с распространением морских разработок на все более уязвимые среды, даже самые современные морские роботы изо всех сил пытаются справиться со сложностью своих задач. В настоящее время ведется множество исследований по разработке автономных глубоководных роботов с такими инициативами, как Эксприз предлагая финансирование для некоторых из самых интересных идей.

Морские машины

Чтобы ответить на эти вызовы, инженеры обратились к биологии, чтобы вдохновить на новые формы роботизированных подводных двигателей. Логика гласит, что после миллионов лет эволюции водные существа должны предложить модели, которые помогут устранить слабые места нынешнего поколения подводных роботов.

Режим плавания рыб, основанный на взмахах их плавниками, стал для них главным источником вдохновения. экспериментируем с новыми подводными аппаратами. Но предпочитаемый медузами импульсно-струйный режим плавания широко известен как самый эффективный в мире подводный двигательный механизм, предлагающий более привлекательное технологическое решение, которое робототехникам гораздо легче имитировать.

Импульсная струйная обработка основана на циклическом расширении и сжатии полой полости тела образца. Эта система управляет заглатыванием и вытеснением воды, что в конечном итоге обеспечивает медузу движущей силой.

Несмотря на свою простоту, эта стратегия плавания может привести к невероятной ловкости, а также к высокой энергоэффективности. Самый быстрый кальмар может путешествовать до 8 метров в секунду с помощью импульсно-струйной системы, в то время как медузы Аурелия аурита (также известная как лунная медуза), как известно, самый эффективный пловец на планете.

Копируя эти организмы при создании подводных роботов, мы можем создавать новые подводные аппараты, способные сочетать высокую маневренность с непревзойденной эффективностью. В нашем Недавние исследования, мы разработали нового био-вдохновленного робота, который может сравниться с двигательной эффективностью Аурелия аурита. Для этого мы скопировали ключевой принцип, который позволяет медузам достигать их высокой пропульсивной эффективности: резонанс.

Aurelia aurita или лунная медуза считается самым эффективным пловцом на Земле. Ричард Макмиллин / Shutterstock

Резонансная робототехника

Резонанс - это физическое явление, которое часто встречается во многих повседневных действиях, таких как ходьба, игра на качелях и т. Д. даже пение. Например, если мы наблюдаем качающийся маятник, мы знаем по опыту, что он будет продолжать колебаться, пока не остановится, зависая в вертикальном положении, определяемом силой тяжести. Частота, с которой колеблется маятник, называется его «собственной частотой».

По опыту мы также знаем, что если мы хотим, чтобы маятник оставался колеблющимся, самый простой способ сделать это - дать ему полезный толчок каждый раз, когда он достигает наивысшей точки своего колебания, точно так же, как мы это делаем, когда подталкиваем ребенка выше. на качелях. Когда мы делаем это, мы позволяем маятнику или качелям «резонировать».

Таким образом, резонанс возникает, когда внешняя сила воздействует на систему на ее собственной частоте, заставляя систему достигать колебаний большей амплитуды при небольшой части необходимой силы. Вот что делает работу в резонансе такой эффективной. Мы применили тот же принцип к движению нашего робота, вдохновленного медузами.

Мы выдвинули гипотезу, что, спроектировав робота-медузу с упругой двигательной системой, мы могли бы использовать собственную частоту этой упругости, чтобы привести механизм в резонанс. В резонансе наш робот будет испускать мощные импульсные струи за небольшую часть стоимости энергии.

Разработанный нами робот имеет эластичную внутреннюю камеру, которая расширяется и сжимается под действием зонтичного механизма. При испытании в резервуаре с водой было обнаружено, что робот увеличивает скорость плавания, когда скорость, с которой он пульсирует, приближается к собственной частоте упругой камеры робота-медузы. Это доказало, что наш робот-медуза достиг резонанса.

Эффективность системы, которая движется сама по себе, будь то механическая или биологическая, основана на уравнении, которое объединяет потребляемую мощность, скорость системы и ее массу. Применительно к нашему роботу это уравнение ставит нашего робота-медузу в один ряд с Аурелия аурита медузы.

Это поразительный результат с двойным воздействием. С одной стороны, он впервые показывает, что механическая система может обеспечить тяговую эффективность лучших пловцов природы. С другой стороны, наш робот объяснил выдающееся плавание своих биологических собратьев, что теперь может помочь биологам вернуться к изучению медуз и кальмаров с совершенно новой точки зрения.

Приведенный в действие системой, вдохновленной самыми эффективными пловцами природы, наш робот-медуза представляет собой прототип динамичного и эффективного подводного робота, который в один прекрасный день может использовать оффшорная ветряная промышленность для обслуживания тех частей своей инфраструктуры, которые лежат под волнами.

Об авторах

Франческо Джорджо-Серки, научный сотрудник канцлера по робототехнике и автономным системам, Эдинбургский университет

Эта статья была обновлена ​​24 февраля 2021 года, чтобы отдать должное команде из Саутгемптонского университета, которая также работала над этим исследованием.

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

Книги по этой теме

Просадка: самый всеобъемлющий план, когда-либо предлагаемый для обратного глобального потепления

Пол Хокен и Том Стейер
Перед лицом широко распространенного страха и апатии международная коалиция исследователей, специалистов и ученых объединилась, чтобы предложить ряд реалистичных и смелых решений проблемы изменения климата. Здесь описаны сто методов и практик, некоторые из них хорошо известны; некоторые, о которых вы, возможно, никогда не слышали. Они варьируются от чистой энергии до обучения девочек в странах с низким уровнем дохода и практики землепользования, которая выбрасывает углерод из воздуха. Решения существуют, являются экономически жизнеспособными, и сообщества во всем мире в настоящее время принимают их с умением и решительностью. Доступно на Amazon

Проектирование климатических решений: руководство по политике для низкоуглеродной энергетики

Хэл Харви, Робби Орвис, Джеффри Риссман
Поскольку последствия изменения климата уже сказываются на нас, необходимость сокращения глобальных выбросов парниковых газов является не менее чем насущной. Это непростая задача, но технологии и стратегии для ее решения существуют сегодня. Небольшой набор энергетических политик, хорошо продуманных и реализованных, может направить нас на путь к низкоуглеродному будущему. Энергетические системы большие и сложные, поэтому энергетическая политика должна быть целенаправленной и рентабельной. Универсальные подходы просто не помогут. Директивным органам нужен четкий и всеобъемлющий ресурс, в котором излагается энергетическая политика, которая окажет наибольшее влияние на наше климатическое будущее, и описывается, как ее правильно разрабатывать. Доступно на Amazon

Это меняет все: Капитализм против Климатологической

Наоми Кляйн
In Это изменяет все Наоми Кляйн утверждает, что изменение климата - это не просто еще одна проблема, которую нужно аккуратно поставить между налогами и здравоохранением. Это тревога, которая призывает нас к налаживанию экономической системы, которая уже во многих отношениях подводит нас. Кляйн тщательно выверяет аргументы в пользу того, что массовое сокращение выбросов парниковых газов - это наш лучший шанс одновременно сократить неравенство, изменить наши разрушенные демократии и восстановить разрушенную местную экономику. Она разоблачает идеологическое отчаяние отрицателей изменения климата, мессианские заблуждения потенциальных геоинженеров и трагический пораженчество слишком многих основных зеленых инициатив. И она наглядно демонстрирует, почему рынок не смог - и не может - исправить климатический кризис, а вместо этого усугубит ситуацию, применяя все более экстремальные и экологически разрушительные методы добычи, сопровождаемые безудержным капитализмом бедствий. Доступно на Amazon

От издателя:
Покупки на Amazon идут, чтобы покрыть стоимость привлечения вас InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, и ClimateImpactNews.com бесплатно и без рекламодателей, которые отслеживают ваши привычки просмотра. Даже если вы нажмете на ссылку, но не купите эти выбранные продукты, все остальное, что вы купите в этом же посещении Amazon, платит нам небольшую комиссию. Никаких дополнительных затрат для вас нет, поэтому, пожалуйста, внесите свой вклад. Вы также можете воспользоваться этой ссылкой использовать в Amazon в любое время, чтобы вы могли помочь поддержать наши усилия.