Робот-тунець може відкрити шлях до маневреніших і ефективніших підводних роботів і дронів
У роботах, які можуть плавати під водою, немає нічого нового. Наприклад, на початку 2021 року Carnegie Mellon оснастила свого знаменитого змія-робота турбінами та підрульовими пристроями, щоб дати йому можливості для водних видів спорту. Але небагато хто може робити це з витонченістю, швидкістю та легкістю справжньої риби. І справа не в тому, що вчені уникали спроби створити робота, здатного робити саме це.
Підводні роботи корисні для дослідження об'єктів у глибокому морі — від затонулих кораблів до нових форм життя. Однак вони мають деякі обмеження. Наприклад, вони схильні рухатися з однією швидкістю, а оператори найчастіше мають кинути їх у воду поблизу потрібного місця. Водолазні рушійні установки — переважно підводні скутери — швидкі, але вони не можуть наблизитися до чогось, що потребує ретельнішого вивчення.
Справді потрібен підводний робот, який може плисти під водою до віддаленого місця, а потім сповільнюватися для уважнішого дослідження. Але це складніше, ніж може здаватися на перший погляд.
Дослідники з Університету Вірджинії придумали, як створити роботизований апарат, який робитиме все перелічене вище, імітуючи жорсткість хвоста риби, а також відкрили та застосували гарну просту математичну формулу. У результаті вийшов робот, який вміє прискорюватися й сповільнюватися майже так само добре, як справжня риба. Свою роботу вони опублікували у Science Robotics.
Загадку риб розгадано
«Жорсткість одного хвоста — це як мати одне передаточне число на велосипеді. Ви будете ефективні лише на одній швидкості. Це було б схоже на поїздку Сан-Франциско на велосипеді з фіксованою передачею — ви б вимоталися вже за кілька кварталів»
Куінн і його колега по дослідженню Цян Чжун припустили, що риба змінює жорсткість свого хвоста, щоб задовольнити часто змінну потребу в швидкості. На жаль, це важко підтвердити або виміряти, коли риба плаває, тож жорсткість, необхідна для ефективного пересування на різних швидкостях, була невідомою. Дослідники поєднали гідродинаміку та біомеханіку, щоб розробити модель, яка могла б дати відповідь і, як каже Чжун, «розкрити давню таємницю про те, як жорсткість хвоста впливає на ефективність плавання».
Розв'язка загадки виявилася несподівано елегантною. «Дивовижно. Простий результат прийшов із усієї математики: жорсткість має зростати пропорційно квадрату швидкості плавання», — заявив Куінн.
Тунець проходить тест
Щоб перевірити свої висновки, вчені побудували підводного робота, схожого на тунця, з програмованим штучним сухожилком, за допомогою якого можна було налаштовувати жорсткість його хвоста на різні швидкості, коли він рухався через тестовий водний канал.
«Наш робот раптово зміг плавати в ширшому діапазоні швидкостей, використовуючи майже вдвічі менше енергії, ніж той самий робот із хвостом фіксованої жорсткості. Покращення було справді чудовим»
Чжун відзначає їхній міждисциплінарний підхід: «Ми не лише зосереджуємося на теоретичному аналізі, а й пропонуємо практичне керівництво з налаштування жорсткості». Запропонована дослідниками стратегія регульованої жорсткості довела свою ефективність у реалістичних плавальних місіях, коли риба-робот досягала високої швидкості та високої ефективності плавання одночасно.
Продемонструвавши свою теорію за допомогою регульованого тунця, вчені зацікавлені в передачі технології хвоста водним роботам розміром від пуголовків до дельфінів. Наразі Куінн і Чжун розробляють хвилеподібного робота на основі скатів.
«Риби мають високу ефективність плавання в широкому діапазоні швидкостей. Ключем до цього досягнення є їхня гнучкість, але з точки зору продуктивності навіть гнучкі роботизовані риби не можуть наздогнати справжню рибу. <…> Ми розробили модель, яка пояснює, як і чому жорсткість налаштування впливає на продуктивність. Ми показуємо, що для максимальної ефективності м'язова напруга має масштабуватися пропорційно квадрату швидкості плавання, пропонуючи просту стратегію налаштування для роботів, схожих на риб. Регулювання жорсткості може подвоїти ефективність плавання на частотах і швидкостях, подібних до тунця (від 0 до 6 герц, від 0 до 2 довжин тіла за секунду). Економія енергії зростає зі збільшенням частоти, що свідчить про те, що високочастотні роботи, схожі на риб, найбільше виграють від налаштування жорсткості», — йдеться в науковому матеріалі.
«Не думаю, що найближчим часом у нас закінчаться проєкти. Кожна водна тварина, на яку ми дивилися, давала нам нові ідеї, як створити досконаліших плавальних роботів. А в морі ще багато риби»
Одного дня робота дослідників може призвести до створення цілого класу дронів, які можуть швидко переміщатися у віддалене місце, а потім сповільнюватися, щоб дослідити місцевість. Подібно до водного змія-робота, це те, що армія США може використовувати для перевірки своїх кораблів на пошкодження.
