Nasz robot jest inspirowany meduzą księżycową. Willyama Bradberry'ego/Shutterstock 

Niektóre z ostatnich obszarów dziewiczej i nietkniętej dziczy na Ziemi istnieją pod morzami. Jednak te morskie ekosystemy są zagrożone przez projekty górnictwa głębinowego, platformy wiertnicze i morskie farmy wiatrowe. Kiedy te obiekty są budowane i utrzymywane, mają tendencję do niszczenia bogatych sieci ekologicznych wokół nich.

Robotycy i inżynierowie pracują nad rozwiązaniem tego problemu, szukając nowych sposobów tworzenia maszyn, które mogą pomóc w naprawie, konserwacji lub kontroli podmorskich komponentów rozwijającego się przemysłu morskiego. Mój zespół, prowadzony przez kolegów Thierry'ego Bujarda i Gabriela Weymoutha z Uniwersytetu w Southampton, ma znaleźć rozwiązanie rozwiązania tego problemu, projektując podwodne roboty inspirowane najmądrzejszymi pływakami natury: ultrawydajnymi meduzami księżycowymi.

Tradycyjne roboty wodne są przeznaczone do dwóch głównych celów: do wydajnego, nawigacja dalekobieżna na otwartych akwenach wodnych oraz do zadań wymagających dużej zwrotności w pobliżu konstrukcji zanurzonych. Oba typy robotów są skuteczne, ale niewiele robotów łączy wydajne przemieszczanie się z dużą zwrotnością. Oznacza to, że większość robotów wodnych jest zbyt niezdarna i niezgrabna, aby wspierać przemysł morski bez szkody dla środowiska podwodnego.

Rzeczywiście, wraz z ekspansją rozwoju morskiego do coraz bardziej niestabilnych środowisk, nawet najnowocześniejsze roboty morskie walczą ze złożonością swoich misji. Obecnie prowadzi się wiele badań nad rozwojem autonomicznych robotów głębinowych, z takimi inicjatywami jak Xnagroda oferując finansowanie niektórych z najbardziej ekscytujących pomysłów.

Maszyny morskie

Aby odpowiedzieć na te wyzwania, inżynierowie przyjrzeli się biologii, aby zainspirować nowe formy zrobotyzowanego napędu podwodnego. Logika głosi, że po milionach lat ewolucji stworzenia wodne powinny oferować modele, które pomogą rozwiązać słabości obecnych podwodnych robotów.

Sposób pływania ryb, oparty na trzepotaniu różnymi płetwami, stał się dla nich głównym źródłem inspiracji eksperymentowanie z nowymi pojazdami podwodnymi. Jednak tryb pływania z impulsowym strumieniem, preferowany przez meduzy, jest powszechnie uważany za najbardziej wydajny podwodny mechanizm napędowy na świecie, oferujący bardziej atrakcyjne rozwiązanie technologiczne, które robotycy znacznie łatwiej naśladować.

Pulsowanie polega na cyklicznym rozszerzaniu się i kurczeniu pustej wnęki ciała próbki. System ten napędza połykanie i wydalanie wody, co ostatecznie zapewnia meduzie pewien rodzaj napędu.

Pomimo swojej prostoty, ta strategia pływania może skutkować niesamowitą zwinnością, a także wysoką wydajnością energetyczną. Najszybsza kałamarnica może podróżować do 8 metrów na sekundę za pomocą systemu pulsacyjnego, podczas gdy meduzy Aurelia Aurita (znana również jako meduza księżycowa) jest znana najbardziej wydajny pływak na świecie.

Kopiując te organizmy podczas budowy robotów podwodnych, możemy zaprojektować nowe pojazdy podwodne, które będą w stanie łączyć wysoką manewrowość z niezrównaną wydajnością. W naszym ostatnie badania, opracowaliśmy nowego robota inspirowanego biologią, który może dorównać wydajności napędowej Aurelia Aurita. W tym celu naśladowaliśmy kluczową zasadę, która umożliwia meduzom osiągnięcie wysokiej wydajności napędowej: rezonans.

Aurelia aurita lub meduza księżycowa jest uważana za najwydajniejszego pływaka na Ziemi. Richarda McMillina/Shutterstock

Robotyka rezonansowa

Rezonans to zjawisko fizyczne powszechnie spotykane w wielu codziennych czynnościach, takich jak chodzenie, zabawa na huśtawce i nawet śpiewać. Jeśli na przykład przyglądamy się kołyszącemu się wahadłu, to z doświadczenia wiemy, że będzie ono oscylować, aż się zatrzyma, zawieszając się w pozycji pionowej określonej przez grawitację. Częstotliwość, z jaką oscyluje wahadło, nazywana jest jego „częstotliwością własną”.

Z doświadczenia wiemy również, że jeśli chcemy utrzymać wahadło w drganiach, najłatwiej to zrobić, popychając je pomocnym szturchnięciem za każdym razem, gdy osiągnie najwyższy punkt oscylacji, tak jak robimy to, gdy pchamy dziecko wyżej na huśtawce. Kiedy to robimy, pozwalamy, aby wahadło lub huśtawka „rezonowały”.

Tak więc rezonans występuje, gdy siła zewnętrzna oddziałuje na system z jego naturalną częstotliwością, powodując, że system osiąga większe oscylacje amplitudy przy ułamku potrzebnej siły. To właśnie sprawia, że ​​praca w rezonansie jest tak wydajna. Tę samą zasadę zastosowaliśmy do napędu naszego robota inspirowanego meduzą.

Postawiliśmy hipotezę, że projektując meduzę robota z elastycznym systemem napędowym, moglibyśmy wykorzystać naturalną częstotliwość tej elastycznej sprężystości, aby wprowadzić mechanizm w rezonans. W rezonansie nasz robot emitowałby potężne, pulsacyjne strumienie za ułamek kosztów energii.

Opracowany przez nas robot ma elastyczną komorę wewnętrzną, która rozszerza się i zwija pod wpływem mechanizmu przypominającego parasolkę. Podczas testów w zbiorniku wodnym odkryto, że robot zwiększa prędkość pływania, ponieważ prędkość pulsowania zbliża się do naturalnej częstotliwości elastycznej komory meduzy robota. Okazało się, że nasza meduza robota osiągnęła rezonans.

Wydajność systemu, który sam się napędza, czy to mechanicznego, czy biologicznego, opiera się na równaniu, które łączy pochłoniętą moc, prędkość systemu i jego masę. W zastosowaniu do naszego robota równanie to stawia naszego robota meduzę na równi z Aurelia Aurita Meduza.

To uderzający wynik o dwojakim wpływie. Z jednej strony pokazuje po raz pierwszy, że system mechaniczny może osiągnąć wydajność napędową najlepszych pływaków natury. Z drugiej strony nasz robot wyjaśnił wybitne pływanie swoich biologicznych odpowiedników – co może teraz pomóc biologom powrócić do badań nad meduzami i kałamarnicami z zupełnie nowej perspektywy.

Oparta na systemie inspirowanym najwydajniejszymi pływakami natury, nasza meduza robota stanowi prototyp dynamicznego i wydajnego robota podwodnego, którego przemysł morskich farm wiatrowych może pewnego dnia wykorzystać do utrzymania części swojej infrastruktury, które leżą pod falami.

O autorach

Francesco Giorgio-Serchi, stypendysta kanclerza ds. robotyki i systemów autonomicznych, University of Edinburgh

Ten artykuł został zaktualizowany 24 lutego 2021 r., aby podziękować zespołowi z University of Southampton, który również pracował nad tymi badaniami.

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązane książki

Awaria: najbardziej kompleksowy plan, jaki kiedykolwiek zaproponowano, aby odwrócić globalne ocieplenie

autorstwa Paula Hawkena i Toma Steyera
W obliczu powszechnego strachu i apatii międzynarodowa koalicja naukowców, profesjonalistów i naukowców połączyła się, aby zaoferować zestaw realistycznych i odważnych rozwiązań w zakresie zmian klimatu. Opisano tutaj sto technik i praktyk - niektóre są dobrze znane; niektóre, o których być może nigdy nie słyszałeś. Obejmują one od czystej energii po edukację dziewcząt w krajach o niższych dochodach po praktyki użytkowania gruntów, które wyciągają węgiel z powietrza. Rozwiązania istnieją, są ekonomicznie opłacalne, a społeczności na całym świecie obecnie wdrażają je z umiejętnościami i determinacją. Dostępne na Amazon

Projektowanie rozwiązań klimatycznych: Przewodnik polityczny dotyczący energii niskoemisyjnej

przez Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Ponieważ skutki zmiany klimatu już dotykają nas, potrzeba ograniczenia globalnych emisji gazów cieplarnianych jest pilna. To trudne wyzwanie, ale technologie i strategie pozwalające mu sprostać istnieją już dzisiaj. Niewielki zestaw polityk energetycznych, dobrze zaprojektowanych i wdrożonych, może skierować nas na ścieżkę do przyszłości niskoemisyjnej. Systemy energetyczne są duże i złożone, dlatego polityka energetyczna musi być ukierunkowana i opłacalna. Podejście uniwersalne po prostu nie spełni swojego zadania. Decydenci potrzebują jasnych, kompleksowych zasobów, które nakreślą polityki energetyczne, które będą miały największy wpływ na naszą przyszłość klimatyczną, oraz opisują, jak dobrze zaprojektować te polityki. Dostępne na Amazon

To zmienia wszystko: kapitalizm kontra klimat

autor: Naomi Klein
In To wszystko zmienia Naomi Klein twierdzi, że zmiany klimatu to nie tylko kolejna kwestia, którą należy starannie uporządkować między podatkami a opieką zdrowotną. Jest to alarm, który wzywa nas do naprawienia systemu gospodarczego, który już pod wieloma względami zawodzi. Klein skrupulatnie opowiada się za tym, jak ogromne zmniejszenie naszej emisji gazów cieplarnianych jest naszą najlepszą szansą na jednoczesne zmniejszenie rozbieżnych nierówności, ponowne wyobrażenie sobie naszych złamanych demokracji i odbudowę wypatroszonych lokalnych gospodarek. Obnaża ideologiczną desperację negacjonistów zmian klimatu, mesjanistyczne złudzenia niedoszłych geoinżynierów oraz tragiczny defetyzm zbyt wielu głównych inicjatyw ekologicznych. I dokładnie pokazuje, dlaczego rynek nie - i nie może - naprawić kryzysu klimatycznego, ale pogorszy sytuację, wprowadzając coraz bardziej ekstremalne i niszczące ekologicznie metody wydobycia, któremu towarzyszy szalony kapitalizm katastroficzny. Dostępne na Amazon

Od wydawcy:
Zakupy na Amazon iść na pokrycie kosztów przynoszą InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, i ClimateImpactNews.com bez kosztów i bez reklamodawców śledzących twoje nawyki przeglądania. Nawet jeśli klikniesz link, ale nie kupisz tych wybranych produktów, wszystko, co kupisz podczas tej samej wizyty w Amazon, płaci nam niewielką prowizję. Nie ponosisz żadnych dodatkowych kosztów, więc proszę przyczynić się do wysiłku. Możesz też skorzystaj z tego linku do korzystania z Amazon w dowolnym momencie, aby pomóc wesprzeć nasze wysiłki.