Робот-медуза може допомогти обслуговувати офшорні вітряні ферми
Наш робот натхненний звичайними місячними медузами. Вільям Бредберрі / Shutterstock 

Деякі з останніх областей незайманої та незайманої пустелі на Землі існують під морями. Проте ці морські екосистеми знаходяться під загрозою від проектів глибоководного видобутку корисних копалин, нафтових платформ та морських вітряних ферм. Коли ці споруди будуються та обслуговуються, вони, як правило, пошкоджують багаті екологічні мережі навколо них.

Роботики та інженери працюють над вирішенням цієї проблеми, шукаючи нові шляхи створення машин, які могли б допомогти ремонтувати, підтримувати або перевіряти підводні компоненти зростаючої офшорної галузі. Під керівництвом колег Тьєррі Бужарда та Габріеля Веймута з Університету Саутгемптона моя команда знайшов рішення для вирішення цієї проблеми, проектування підводних роботів, натхненних найрозумнішими плавцями природи: ультраефективною місячною медузою.

Традиційні водні роботи розроблені для двох основних цілей: для ефективного, міжміська навігація на відкритих ділянках води та для виконання завдань, що вимагають високої маневреності, поблизу занурених споруд. Обидва типи роботів ефективні, але мало хто з роботів поєднує в собі ефективну подорож з високою маневреністю. Це означає, що більшість водних роботів занадто незграбні та незграбні, щоб підтримувати офшорну промисловість, а також не шкодити підводному середовищу.

Дійсно, з поширенням офшорних розробок на делікатніші середовища, навіть найсучасніші морські роботи намагаються впоратися зі складністю своїх місій. В даний час проводиться багато досліджень щодо розробки автономних глибоководних роботів з такими ініціативами Xprize пропонуючи фінансування для найбільш захоплюючих ідей.


Innersele підписатися графіка


Морські машини

Щоб відповісти на ці виклики, інженери звернулись до біології, щоб надихнути нові форми роботизованого підводного рушія. Після мільйонів років еволюції, логіка йде, водні істоти повинні пропонувати моделі, які допоможуть усунути слабкі місця нинішнього врожаю підводних роботів.

Режим плавання риб, заснований на маханні різними плавниками, став основним джерелом натхнення для них експериментувати з новими підводними апаратами. Але режим плавання з імпульсним струменем, який віддають перевагу медузам, широко розглядається як найефективніший у світі підводний рушійний механізм, що пропонує більш привабливе технологічне рішення, яке набагато легше наслідувати робототестам.

Імпульсна струменя залежить від циклічного розширення та скорочення порожнистої порожнини тіла зразка. Ця система керує поглинанням та вигнанням води, що в кінцевому підсумку забезпечує медузам форму руху.

Незважаючи на свою простоту, ця стратегія плавання може призвести до неймовірної спритності, а також до високої енергоефективності. Найшвидший кальмар може подорожувати до 8 метри на секунду використовуючи імпульсно-струменеву систему, в той час як медузи Аурелія ауріта (також відомий як місячна медуза), як відомо найефективніший плавець на планеті.

Копіюючи ці організми, будуючи підводні роботи, ми можемо сконструювати нові підводні апарати, здатні поєднувати високу маневреність з неперевершеною ефективністю. В нашому Недавні дослідження, ми розробили нового робота з біологічним натхненням, який може відповідати рушійній ефективності Аурелія ауріта. Для цього ми імітували ключовий принцип, який дозволяє медузам досягти своєї високої рушійної ефективності: резонанс.

Аурелія аурелія або місячні медузиAurelia aurita або місячна медуза вважається найефективнішим плавцем на Землі. Річард А Макміллін / Shutterstock

Резонансна робототехніка

Резонанс - це фізичне явище, яке часто зустрічається в багатьох повсякденних справах, таких як ходьба, гра на гойдалках та навіть спів. Наприклад, якщо ми спостерігаємо за хитливим маятником, то з досвіду знаємо, що він буде продовжувати коливатися, поки не зупиниться, висячи у вертикальному положенні, визначеному силою тяжіння. Частота, з якою коливається маятник, називається його "власною частотою".

З досвіду ми також знаємо, що якщо ми хочемо тримати коливання маятника, найпростіший спосіб зробити це - корисний поштовх щоразу, коли він досягає найвищої точки свого коливання, так само, як ми робимо, коли підштовхуємо дитину вище на гойдалці. Коли ми робимо це, ми дозволяємо маятнику або гойдалці «резонувати».

Отже, резонанс виникає, коли зовнішня сила впливає на систему з її власною частотою, змушуючи систему досягати більших коливань амплітуди при частці необхідної сили. Саме це робить роботу з резонансом настільки ефективною. Ми застосували той самий принцип до рушія нашого робота, натхненного медузами.

Ми висунули гіпотезу, що, сконструювавши робота-медузу з пружною рушійною системою, ми могли б використати властиву цій частоті природну частоту для введення механізму в резонанс. В резонансі наш робот видавав би потужні імпульсні струмені з часткою вартості енергії.

Робот, який ми розробили, має еластичну внутрішню камеру, яка розширюється і руйнується під впливом парасолькоподібного механізму. Під час випробувань у водяному резервуарі було виявлено, що робот збільшує швидкість плавання, оскільки швидкість, з якою він імпульсував, наближалася до власної частоти еластичної камери робота медуз. Це довело, що наші роботи-медузи досягли резонансу.

Ефективність системи, що рухає себе, будь то механічна чи біологічна, базується на рівнянні, яке поєднує поглинану потужність, швидкість системи та її масу. Застосовуючи до нашого робота, це рівняння ставить наших роботів-медуз на один рівень із Аурелія ауріта медузи.

Це вражаючий результат із подвійним впливом. З одного боку, це вперше показує, що механічна система може досягти рушійної ефективності найкращих плавців природи. З іншого боку, наш робот пояснив видатне плавання своїх біологічних колег - що тепер може допомогти біологам повернутися до вивчення медуз і кальмарів з абсолютно новою перспективою.

Працюючи на основі системи, натхненної найефективнішими плавцями природи, наші роботи-медузи забезпечують прототип динамічного та ефективного підводного робота, котрий офшорна вітроелектростанція одного дня може використовувати для підтримки частин своєї інфраструктури, що лежать під хвилями.

Про авторів

Франческо Джорджо-Серчі, стипендіат канцлера з робототехніки та автономних систем, Единбурзький університет

Ця стаття була оновлена ​​24 лютого 2021 року, щоб надати команду з Університету Саутгемптона, яка також працювала над цим дослідженням.Бесіда

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

Суміжні книги

Недолік: Найбільш всеосяжний план, який пропонувався змінити глобальне потепління

Пол Хоукен і Том Стейер
9780143130444В умовах поширеного страху та апатії міжнародна коаліція дослідників, професіоналів та вчених зібралася, щоб запропонувати набір реалістичних та сміливих рішень щодо зміни клімату. Тут описано сто прийомів і практик - деякі добре відомі; про які ви, можливо, ніколи не чули. Вони варіюються від чистої енергії до навчання дівчат у країнах з низьким рівнем доходу до використання методів землекористування, які витягують вуглець з повітря. Рішення існують, є економічно вигідними, і громади в усьому світі в даний час приймають їх з вмінням і рішучістю. Доступний на Amazon

Проектування кліматичних рішень: Посібник з політики щодо енергії з низьким вмістом вуглецю

Гал Харві, Роббі Орвіс, Джефрі Ріссман
1610919564З урахуванням наслідків зміни клімату, необхідність зменшення глобальних викидів парникових газів є не менш терміновою. Це страшний виклик, але сьогодні існують технології та стратегії для його вирішення. Невеликий набір енергетичної політики, розроблений та реалізований добре, може поставити нас на шлях до майбутнього з низьким рівнем вуглецю. Енергетичні системи є великими та складними, тому енергетична політика повинна бути цілеспрямованою та економічно ефективною. Універсальні підходи просто не дозволять зробити роботу. Політики потребують чіткого, всебічного ресурсу, який би окреслював енергетичну політику, яка матиме найбільший вплив на наше кліматичне майбутнє, та описував, як правильно розробляти цю політику. Доступний на Amazon

Це змінює все: капіталізм проти клімату

автор: Наомі Кляйн
1451697392In Це змінює все Наомі Кляйн стверджує, що зміни клімату - це не лише одна проблема, яку слід акуратно подати між податками та охороною здоров'я. Це тривога, яка закликає нас виправити економічну систему, яка вже багато в чому нас не дає. Клейн ретельно будує випадок того, наскільки масово скорочення викидів парникових газів - це наш найкращий шанс одночасно зменшити розбіжність нерівності, переосмислити наші розбиті демократії та відновити наші поглиблені місцеві економіки. Вона висловлює ідеологічне відчай заперечувачів зміни клімату, месіанські марення потенційних геоінженерів та трагічний дефектизм занадто багатьох зелених ініціатив. І вона точно демонструє, чому ринок не (і не може) виправити кліматичну кризу, а навпаки, погіршить ситуацію із все більш екстремальними та екологічно згубними методами видобутку, що супроводжуються бурхливим капіталізмом катастроф. Доступний на Amazon

Від видавця:
Покупки в Amazon йдуть на те, щоб покрити витрати на привезення вас InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, та ClimateImpactNews.com безкоштовно і без рекламодавців, які відстежують ваші звички перегляду. Навіть якщо ви натискаєте на посилання, але не купуєте ці вибрані продукти, все, що ви купуєте за той же візит на Amazon, платить нам невелику комісію. Додаткових витрат для вас немає, тому, будь ласка, внесіть свої зусилля. Ви також можете використовуйте цю посилання в будь-який час користуватися Amazon, щоб ви могли допомогти підтримати наші зусилля.