Vår robot är inspirerad av vanliga maneter. Willyam Bradberry / Shutterstock 

Några av de sista områdena med orörd och orörd vildmark på jorden finns under havet. Ändå är dessa marina ekosystem hotade av havsbrytningsprojekt, oljeplattformar och vindkraftparker till havs. När dessa anläggningar byggs och underhålls tenderar de att skada de rika ekologiska nätverken kring dem.

Robotister och ingenjörer arbetar för att ta itu med detta problem och letar efter nya sätt att skapa maskiner som kan hjälpa till att reparera, underhålla eller inspektera undervattenskomponenterna i den växande offshoreindustrin. Ledet av kollegorna Thierry Bujard och Gabriel Weymouth från University of Southampton har mitt team gjort det hittade en lösning till detta problem, designar undervattensrobotar inspirerade av naturens smartaste simmare: den ultraeffektiva månmaneten.

Traditionella vattenrobotar är utformade för två huvudsyfte: för effektiva, långväga navigering över öppna vattensträckor och för uppgifter som kräver hög manövrerbarhet nära nedsänkta strukturer. Båda typerna av robotar är effektiva, men få robotar kombinerar effektiva resor med hög manövrerbarhet. Det betyder att de flesta vattenrobotar är för klumpiga och klumpiga för att stödja offshoreindustrin utan att skada den undervattensmiljön.

Med utvidgningen av utvecklingen till havs till allt mer känsliga miljöer kämpar till och med toppmoderna marina robotar för att klara komplexiteten i deras uppdrag. Mycket forskning går för närvarande på att utveckla autonoma djuphavsrobotar, med initiativ som Xprize erbjuda finansiering till några av de mest spännande idéerna.

Marinmaskiner

För att svara på dessa utmaningar har ingenjörer tittat på biologi för att inspirera till nya former av robotdrivning under vattnet. Efter miljontals år av utveckling, logiken går, bör vattenlevande varelser erbjuda modeller som hjälper till att hantera svagheterna i den nuvarande skörden av undervattensrobotar.

Fiskens simningsläge, baserat på de olika fläktarnas klaffning, har blivit den främsta inspirationskällan för dem experimentera med nya undervattensfordon. Men pulsstrålsimningsläget som gynnas av maneter betraktas allmänt som världens mest effektiva framdrivningsmekanism under vattnet och erbjuder en mer övertygande teknisk lösning som är mycket lättare för robotister att imitera.

Pulsstrålning är beroende av cyklisk expansion och sammandragning av ett ihåligt hålrum i provets kropp. Detta system driver intag och utdrivning av vatten, vilket i slutändan ger maneter en form av framdrivning.

Trots sin enkelhet kan denna simningsstrategi resultera i otrolig smidighet och vara mycket energieffektiv. Den snabbaste bläckfisken kan resa upp till 8 meter per sekund med hjälp av ett pulsstrålsystem, medan maneterna Aurelia aurita (även känd som månmanet) är känd för att vara den mest effektiva simmare på planeten.

Genom att kopiera dessa organismer när vi bygger undervattensrobotar kan vi designa nya undervattensfordon som kan kombinera hög manövrerbarhet med oöverträffad effektivitet. I vår senaste forskningen, Vi utvecklade en ny bioinspirerad robot som kan matcha framdrivningseffektiviteten hos Aurelia aurita. För att göra detta imiterade vi nyckelprincipen som gör det möjligt för maneter att uppnå sin höga framdrivningseffektivitet: resonans.

Aurelia aurita eller månmanet anses vara den mest effektiva simmare på jorden. Richard A McMillin / Shutterstock

Resonant robotik

Resonans är ett fysiskt fenomen som ofta förekommer i många vardagliga aktiviteter som att gå, spela på en gunga och även sjunga. Om vi ​​till exempel tittar på en svängande pendel vet vi av erfarenhet att den kommer att fortsätta att svänga tills den vilar och hänger i en vertikal position som bestämd av gravitationen. Frekvensen med vilken pendeln svänger kallas dess ”naturliga frekvens”.

Av erfarenhet vet vi också att om vi vill hålla pendeln oscillerande, är det enklaste sättet att göra det genom att ge den en hjälpsam knuff varje gång den når den högsta punkten i sin svängning, precis som vi gör när vi skjuter ett barn högre på en gunga. När vi gör detta låter vi pendeln eller gungan ”resonera”.

Så resonans uppstår när en extern kraft påverkar ett system vid dess naturliga frekvens, vilket får systemet att uppnå större amplitudsvängningar vid en bråkdel av den kraft som behövs. Det är det som gör att resonans fungerar så effektivt. Vi tillämpade samma princip på framdrivningen av vår manetinspirerade robot.

Vi antog att genom att utforma en robotmanet med ett elastiskt framdrivningssystem skulle vi kunna utnyttja den inneboende naturliga frekvensen hos den elastiken för att driva mekanismen till resonans. I resonans skulle vår robot ge ut kraftfulla pulserande strålar till en bråkdel av energikostnaden.

Roboten vi utvecklade har en elastisk inre kammare som expanderar och kollapsar under effekten av en paraplyliknande mekanism. När den testades i en vattentank, visade sig roboten öka sin simningshastighet när hastigheten med vilken den pulsade närmade sig den naturliga frekvensen hos robotmanetens elastiska kammare. Det bevisade att vår robotmanet hade uppnått resonans.

Effektiviteten hos ett system som driver sig själv, vare sig det är mekaniskt eller biologiskt, baseras på en ekvation som kombinerar den absorberade effekten, systemets hastighet och dess massa. När den appliceras på vår robot sätter den ekvationen vår robotmanet i nivå med Aurelia aurita manet.

Detta är ett slående resultat med en dubbel påverkan. Å ena sidan visar det för första gången att ett mekaniskt system kan uppnå framdrivningseffektiviteten hos de bästa av naturens simmare. Å andra sidan har vår robot förklarat den enastående simningen av sina biologiska motsvarigheter - som nu kan hjälpa biologer att återvända till studien av maneter och bläckfisk med ett helt nytt perspektiv.

Drivs av ett system inspirerat av de mest effektiva av naturens simmare, ger vår robotmanet en prototyp av en dynamisk och effektiv undervattensrobot, som vindkraftsindustrin till havs en dag kan använda för att underhålla de delar av sin infrastruktur som ligger under vågorna.

Om författarna

Francesco Giorgio-Serchi, kansler i robotik och autonoma system, University of Edinburgh

Denna artikel uppdaterades den 24 februari 2021 för att kreditera teamet från University of Southampton som också arbetade med denna forskning.

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

relaterade böcker

Drawdown: Den mest omfattande planen som någonsin föreslagits för att omvända global uppvärmning

av Paul Hawken och Tom Steyer
Mot bakgrund av utbredd rädsla och apati har en internationell koalition av forskare, yrkesverksamma och forskare kommit ihop för att erbjuda en rad realistiska och djärva lösningar på klimatförändringen. Ett hundra tekniker och metoder beskrivs här-några är välkända; något du kanske aldrig har hört talas om. De sträcker sig från ren energi för att utbilda flickor i låginkomstländer till markanvändningspraxis som drar kol ut ur luften. Lösningarna finns, är ekonomiskt lönsamma och samhällen runt om i världen håller för närvarande på att anta dem med skicklighet och beslutsamhet. Finns på Amazon

Utformning av klimatlösningar: En policyhandbok för lågkol Energi

av Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Med effekterna av klimatförändringar redan på oss är behovet av att minska de globala utsläppen av växthusgaser inget mindre än brådskande. Det är en skrämmande utmaning, men teknologierna och strategierna för att möta den finns idag. En liten uppsättning energipolicyer, utformade och genomförda väl, kan sätta oss på vägen till en koldioxidsnål framtid. Energisystem är stora och komplexa, så energipolitiken måste vara fokuserad och kostnadseffektiv. One-size-fits-all-tillvägagångssätt gör helt enkelt inte jobbet gjort. Politiska beslutsfattare behöver en tydlig och omfattande resurs som beskriver energipolitiken som kommer att ha störst inverkan på vår klimatframtid och beskriver hur man utformar dessa policyer väl. Finns på Amazon

Detta förändrar allt: Kapitalism vs. Klimat

av Naomi Klein
In Detta förändrar allt Naomi Klein hävdar att klimatförändringen inte bara är en annan fråga som ska lämnas snyggt mellan skatter och hälsovård. Det är ett larm som kräver att vi fixar ett ekonomiskt system som redan misslyckas på många sätt. Klein bygger noggrant fallet för hur massivt att minska våra utsläpp av växthusgaser är vår bästa chans att samtidigt minska ojämlikheterna i olikheterna, återinföra våra brutna demokratier och bygga om våra slagna lokala ekonomier. Hon avslöjar den ideologiska desperationen av klimatförändringsförnekarna, de geoengineers messianiska vansinne och den tragiska defeatismen av alltför många vanliga gröna initiativ. Och hon visar exakt varför marknaden inte har och kan inte fixa klimatkrisen, men kommer istället att göra saker värre, med alltmer extrema och ekologiskt skadliga utvinningsmetoder, tillsammans med katastrofal katastrofkapitalism. Finns på Amazon

Från Utgivaren:
Inköp på Amazon går för att täcka kostnaden för att få dig InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, och ClimateImpactNews.com utan kostnad och utan annonsörer som spåra dina surfvanor. Även om du klickar på en länk men inte köper dessa valda produkter, betalar allt annat du köper i samma besök på Amazon oss en liten provision. Det finns ingen extra kostnad för dig, så var vänlig bidra till insatsen. Du kan också använd denna länk att använda till Amazon när som helst så att du kan hjälpa till att stödja våra ansträngningar.