Большая часть мира покрыта океанами, которые, к сожалению, сильно загрязнены. Одна из стратегий борьбы с нагромождениями отходов, обнаруженными в этих очень уязвимых экосистемах, особенно вокруг коралловых рифов, заключается в использовании роботов для очистки. Однако существующие подводные роботы в основном громоздки с твердыми телами, не могут исследовать и брать пробы в сложных и неструктурированных средах и шумны из-за электрических двигателей или гидравлических насосов. В поисках более подходящего дизайна ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте обратились к природе за вдохновением. Они создали вдохновленного медузой универсального, энергоэффективного и почти бесшумного робота размером с ладонь. Jellyfish-Bot — результат сотрудничества между отделами физического интеллекта и робототехнических материалов MPI-IS. “Универсальная роботизированная платформа, похожая на медузу, для эффективного подводного движения и управления» была опубликована в Научные достижения.
Для создания робота команда использовала электрогидравлические приводы, через которые проходит электричество. Приводы служат искусственными мышцами, приводящими в действие робота. Эти мышцы окружены воздушными подушками, а также мягкими и жесткими компонентами, которые стабилизируют робота и делают его водонепроницаемым. Таким образом, высокое напряжение, проходящее через приводы, не может контактировать с окружающей водой. Блок питания периодически подает электричество по тонким проводам, заставляя мышцы сокращаться и расширяться. Это позволяет роботу изящно плавать и создавать завихрения под своим телом.
«Когда медуза плывет вверх, она может захватывать объекты на своем пути, создавая потоки вокруг своего тела. Таким образом, он также может собирать питательные вещества. Наш робот тоже циркулирует вокруг себя. Эта функция полезна при сборе таких объектов, как частицы отходов. Затем он может транспортировать мусор на поверхность, где он может быть переработан. Он также может собирать хрупкие биологические образцы, такие как икра рыб. При этом никакого негативного воздействия на окружающую среду нет. Взаимодействие с водными видами мягкое и почти бесшумное», — объясняет Тяньлу Ванг. Он является постдоком в отделе физической разведки в MPI-IS и первым автором публикации.
Его соавтор Хён-Джун Джу из отдела робототехнических материалов продолжает: «По оценкам, 70% морского мусора опускается на морское дно. Пластик составляет более 60% этого мусора, и на его разложение уходят сотни лет. Поэтому мы увидели острую необходимость в разработке робота для манипулирования такими объектами, как мусор, и транспортировки его вверх. Мы надеемся, что подводные роботы однажды помогут очистить наши океаны».
Медузы-боты способны перемещать и захватывать объекты без физического контакта, действуя либо поодиночке, либо с несколькими в комбинации. Каждый робот работает быстрее, чем другие сопоставимые изобретения, достигая скорости до 6,1 см/с. Кроме того, для Jellyfish-Bot требуется только низкая входная мощность около 100 мВт. И это безопасно для людей и рыб, если полимерный материал, изолирующий робота, однажды порвется. При этом шум от робота невозможно отличить от фонового уровня. Таким образом, робот-медуза мягко взаимодействует с окружающей средой, не нарушая ее — так же, как его естественный аналог.
Робот состоит из нескольких слоев: одни придают роботу жесткость, другие служат для того, чтобы удерживать его на плаву или изолировать. Дополнительный полимерный слой действует как плавающая оболочка. Искусственные мышцы с электроприводом, известные как HASEL, встроены в середину различных слоев. HASEL представляют собой заполненные жидким диэлектриком пластиковые пакеты, частично покрытые электродами. Приложение высокого напряжения к электроду заряжает его положительно, в то время как окружающая вода заряжается отрицательно. Это создает силу между положительно заряженным электродом и отрицательно заряженной водой, которая толкает масло внутри мешочков вперед и назад, заставляя мешочки сокращаться и расслабляться, напоминая настоящую мышцу. HASEL могут выдерживать высокие электрические напряжения, создаваемые заряженными электродами, и защищены от воды изолирующим слоем. Это важно, так как мышцы HASEL никогда ранее не использовались для создания подводного робота.
Первым шагом была разработка Jellyfish-Bot с одним электродом с шестью пальцами или руками. На втором этапе команда разделила один электрод на отдельные группы, чтобы независимо активировать их.
«Мы добились захвата объектов, заставив четыре рычага работать как пропеллеры, а два других — как захваты. Или мы активировали только часть рук, чтобы направить робота в разные стороны. Мы также рассмотрели, как мы можем управлять коллективом из нескольких роботов. Например, мы взяли двух роботов и дали им поднять маску, что очень сложно одному роботу. Два робота также могут совместно переносить тяжелые грузы. Однако на данный момент нашему роботу-медузе нужен провод. Это недостаток, если мы действительно хотим использовать его однажды в океане», — говорит Хён-Джун Джу.
Возможно, провода, питающие роботов, скоро уйдут в прошлое. «Мы стремимся разрабатывать беспроводных роботов. К счастью, мы сделали первый шаг к этой цели. Мы включили все функциональные модули, такие как аккумулятор и части беспроводной связи, чтобы в будущем можно было манипулировать беспроводной связью», — продолжает Тяньлу Ван. Команда прикрепила блок плавучести к верхней части робота, а батарею и микроконтроллер — к нижней. Затем они взяли свое изобретение, чтобы поплавать в пруду кампуса Макса Планка в Штутгарте, и смогли успешно управлять им. Однако до сих пор они не могли заставить беспроводного робота изменить курс и плыть в другую сторону.
Зная команду, достижение этой цели не займет много времени.
тэги: био-вдохновленный
Цель Института интеллектуальных систем им. Макса Планка состоит в том, чтобы исследовать и понять принципы организации интеллектуальных систем и лежащий в их основе цикл «восприятие-действие-обучение».