Робот-тунец может открыть путь к более маневренным и эффективным подводным роботам и дронам
В роботах, которые могут плавать под водой, нет ничего нового. Например, в начале 2021 года Carnegie Mellon оснастила своего знаменитого змея-робота турбинами и подруливающими устройствами, чтобы дать ему возможности для водных видов спорта. Но немногие могут сделать это с изяществом, скоростью и легкостью настоящей рыбы. И дело не в том, что ученые избегали попытки создать робота, способного делать именно это.
Подводные роботы полезны для исследования объектов в глубоком море — от затонувших кораблей до новых форм жизни. Однако они страдают некоторыми ограничениями. Например, они имеют тенденцию двигаться с одной скоростью, а операторы чаще всего должны бросить их в воду рядом с желаемым местом. Водолазные двигательные установки — в основном подводные скутеры — быстрые, но они не могут приблизиться к чему-то, что требует лучшего изучения.
Что действительно нужно, так это подводный робот, который может плыть под водой в отдаленное место, а затем замедляться для более внимательного изучения. Но это сложнее, чем может показаться на первый взгляд.
Исследователи из Университета Вирджинии придумали, как создать роботизированный аппарат, который будет делать все вышеперечисленное, имитируя жесткость хвоста рыбы, а также открыли и применили красивую простую математическую формулу. В результате получился робот, который умеет ускоряться и замедляться почти так же хорошо, как настоящая рыба. Свою работу они опубликовали в Science Robotics.
Загадка рыб разгадана
«Жесткость одного хвоста — все равно, что иметь одно передаточное число на велосипеде. Вы будете эффективны только на одной скорости. Это было бы похоже на поездку по Сан-Франциско на велосипеде с фиксированной передачей — вы бы вымотались уже через несколько кварталов»
Куинн и его коллега по исследованию Цян Чжун предположили, что рыба меняет жесткость своего хвоста, чтобы удовлетворить часто меняющуюся потребность в скорости. К сожалению, это трудно подтвердить или измерить, когда рыба плывет, поэтому жесткость, необходимая для эффективного передвижения на разных скоростях, была неизвестна. Исследователи объединили гидродинамику и биомеханику, чтобы разработать модель, которая могла бы дать ответ и, как говорит Чжун, «раскрыть давно существующую тайну о том, как жесткость хвоста влияет на эффективность плавания».
Решение загадки оказалось неожиданно элегантным. «Удивительно. Простой результат пришел из всей математики: жесткость должна увеличиваться с увеличением скорости плавания в квадрате», — заявил Куинн.
Тунец проходит тест
Чтобы проверить свои выводы, ученые построили подводного робота, похожего на тунца, с программируемым искусственным сухожилием, с помощью которого можно было настраивать жесткость его хвоста на разные скорости, когда он двигался через тестовый водный канал.
«Наш робот внезапно смог плавать в более широком диапазоне скоростей, используя почти вдвое меньше энергии, чем тот же робот с хвостом фиксированной жесткости. Улучшение было действительно замечательным»
Чжун благодарит их междисциплинарный подход: «Мы не только сосредоточены на теоретическом анализе, но и предлагаем практическое руководство по настройке жесткости». Предлагаемая исследователями стратегия настраиваемой жесткости доказала свою эффективность в реалистичных плавательных миссиях, когда рыба-робот достигала высокой скорости и высокой эффективности плавания одновременно.
Продемонстрировав свою теорию с помощью настраиваемого тунца, ученые заинтересованы в трансплантации технологии хвоста водным роботам размером от головастиков до дельфинов. В настоящее время Куинн и Чжун разрабатывают волнообразного робота на основе скатов.
«Рыбы обладают высокой эффективностью плавания в широком диапазоне скоростей. Ключом к этому достижению является их гибкость, но с точки зрения производительности даже гибкие роботизированные рыбы не могут выслеживать настоящую рыбу. <…> Мы разработали модель, которая объясняет, как и почему жесткость настройки влияет на производительность. Мы показываем, что для максимальной эффективности мышечное напряжение должно масштабироваться в квадрате скорости плавания, предлагая простую стратегию настройки для роботов, похожих на рыб. Регулировка жесткости может удвоить эффективность плавания на частотах и скоростях, подобных тунцу (от 0 до 6 герц, от 0 до 2 длин тела в секунду). Экономия энергии увеличивается с увеличением частоты, что говорит о том, что высокочастотные роботы, похожие на рыб, больше всего выигрывают от жесткости настройки», — говорится в научном материале.
«Не думаю, что в ближайшее время у нас закончатся проекты. Каждое водное животное, на которое мы смотрели, дало нам новые идеи о том, как создать более совершенных плавательных роботов. А в море еще много рыбы»
В один прекрасный день работа исследователей может привести к созданию целого класса дронов, которые могут быстро перемещаться в удаленное место, а затем замедляться, чтобы исследовать местность. Подобно водному змеиному роботу, это то, что армия США может использовать для проверки своих кораблей на предмет повреждений.
