Робот, вдохновленный креветками-богомолами, для исследования узких подводных сред.
Природа является основным источником вдохновения для многих существующих роботизированных систем, предназначенных для воспроизведения внешнего вида и поведения различных живых организмов. Искусственно воспроизводя биологические процессы, эти роботы могут помочь более эффективно решать сложные проблемы реального мира.
Исследователи из Чжэцзянского научно-технического университета и Университета Эссекса разработали робота, вдохновленного креветками-богомолами, который может помочь исследовать и контролировать узкую подводную среду, населенную многочисленными видами животных и богатую минеральными ресурсами. Этот био-робот был представлен в статье, опубликованной в журнале IEEE/ASME Transactions on Mechatronics .
«Многие подводные среды имеют узкие пространства, к которым трудно получить доступ для людей, поэтому было бы оптимально, чтобы роботы взяли на себя их исследование», — сказал Tech Xplore Ган Чен, один из авторов статьи. «Креветка-богомол — это гибкий и быстро плавающий мелкий хищник в морской среде, и ее превосходная способность двигаться может дать новые исследовательские идеи для разработки подводных роботов. В этой работе креветка-богомол используется в качестве бионического объекта, разрабатывается новый робот-богомол, и завершает управление движением».
Вдохновленный способностями и движениями раков-богомолов, Чен и его коллеги решили искусственно воспроизвести их. Их надеждой было разработать подводного робота , который мог бы удивительно хорошо передвигаться под водой, имитируя механизмы, поддерживающие движения раков-богомолов, и, таким образом, также легко получая доступ к узким пространствам под водой.
Созданный исследователями маневренный робот, состоящий из 10 искусственных плеопод и гибкого тела, обладает мощными двигательными возможностями. Плеоподы — это вилкообразные конечности, прикрепленные к телу ракообразных, которые позволяют животным передвигаться в воде.
«Бионический робот-креветка-богомол приводится в движение пятью парами плеопод», — объяснил Чен. «Баланс скорости и устойчивости может быть достигнут путем регулирования частоты движения, амплитуды и разности фаз движения этих пяти пар плеопод. Кроме того, соединение каждой пары плеопод независимо, что очень полезно для ремонта в случае структурного повреждения под водой».
Движения робота команды контролируются посредством изгиба его гибкого туловища с помощью проволоки, а также движения его искусственных плеопод. В совокупности эти механизмы позволяют роботу быстро регулировать угол поворота, чтобы он мог плыть в нужном направлении.
«Несколько плеопод являются избыточными, что позволяет роботу выполнять поворот, даже если некоторые из плеопод выходят из строя», — сказал Чен. «Бионический плеопод спроектирован с тремя суставами, один из которых является активным суставом, приводимым в движение сервомотором, а остальные два сустава являются пассивными суставами, которые используют сопротивление воды для раскладывания и складывания».
По сути, когда одна из конечностей робота движется назад, его три сустава полностью расширяются, что приводит к максимальному движению. Напротив, когда конечность возвращается в исходное положение, суставы сгибаются, уменьшая сопротивление вперед. Эта уникальная конструкция использует характеристики, связанные с потоком воды, для упрощения конструкции робота, увеличения его двигательной способности и облегчения управления под водой.
«Общая структура бионического робота-креветки-богомола аналогична биологической структуре креветки-богомола, а корпус робота плоский с обтекаемым тельсоном для эффективного уменьшения сопротивления», — сказал Чен. «Плеопод и корпус робота имеют жестко-гибкую конструкцию соединения, позволяющую уменьшить воздействие воды на робота и повысить устойчивость робота при движении под водой».
Исследователи протестировали прототип своего робота-богомола и обнаружили, что он может хорошо передвигаться под водой, достигая максимальной скорости 0,28 м/с и минимального радиуса поворота 0,36 м. Эти результаты подчеркивают потенциал робота для выполнения исследовательских миссий в узких и сложных подводных условиях.
Примечательно, что скорость и движения робота-креветки- богомола можно точно и легко контролировать, что снижает риск столкновений с подводными препятствиями. Теперь исследователи планируют развивать свою систему дальше, надеясь, что в конечном итоге она будет использоваться для мониторинга и спасения морской среды.
«В будущем мы сосредоточимся на том, как реализовать автономное движение бионического робота- богомола-креветки в узкой подводной среде, чтобы выполнить задачу обнаружения в этой среде», — сказал Чен.
«Мы планируем оптимизировать структуру, форму и конструкцию аппаратной системы робота, чтобы улучшить его способность двигаться с шестью степенями свободы в трехмерном пространстве и повысить скорость движения под водой. Затем IMU, камера, датчик глубины и другие Устройства сбора информации будут увеличены, чтобы обеспечить более точное управление движением робота с обратной связью посредством анализа информации об окружающей среде и регулирования его собственной позы с обратной связью».
Хотя робот команды уже добился обнадеживающих результатов, он все еще находится на ранней стадии разработки. Чен и его коллеги теперь продолжат совершенствовать и тестировать своего робота, чтобы убедиться в его способности перемещаться в стесненных подводных условиях.
«В наших следующих исследованиях мы также повысим долговечность и надежность каждого из компонентов робота, используя углеродное волокно и встроенные высокопрочные материалы», — добавил Чен. «Это может заложить основу для практического применения в замкнутых подводных средах».