Более 80% океана Земли еще не нанесено на карту. Частично это связано с проблемами, связанными с глубоководными исследованиями, включая сильное давление, нулевую видимость и чрезвычайно низкие температуры. Поскольку финансовый и научный интерес к океану и его ресурсам растет, исследователи используют адаптированные особенности живых рыб для создания более эффективных и практичных глубоководных аппаратов.
Условно говоря, создано лишь небольшое количество подводных аппаратов, способных достичь и выдержать самую низкую точку любого океана — Бездну Челленджера. Глубина этой пропасти оценивается в 35 827 ± 33 фута и она расположена на южном конце Марианской впадины, недалеко от острова Гуам в Тихом океане. Такие низкие объемы производства в первую очередь объясняются высокими затратами на производство и эксплуатацию глубоководных аппаратов.
Погружные аппараты, способные выдерживать сверхглубокое давление воды, имеют множество потенциальных применений, включая спасательные и спасательные операции; монтаж и обслуживание морского оборудования; подводная археология, кинематография и туризм. Чтобы решить проблему чрезмерной стоимости и неэффективности нынешних конструкций погружных аппаратов , исследователи адаптируют особенности передвижения живых видов рыб к новым конструкциям глубоководных погружных аппаратов, направленным на улучшение навигации, скорости, маневренности и эффективности движения при одновременном снижении шума и вибрации.
Команда инженеров из Университета Вестлейк недавно опубликовала обзор текущего состояния биомиметических инженерных стратегий и проблем, с которыми сталкиваются глубоководные погружные технологии, 7 февраля в журнале Ocean-Land-AtmSphere Research.
«В этой статье мы даем всесторонний обзор развития погружных технологий с исторической точки зрения. В частности, мы подчеркиваем появление роботизированных подводных аппаратов типа «рыба», поскольку они представляют собой будущее направление погружных технологий», — сказал Вэйчэн. Кюи, профессор инженерной школы Университета Вестлейк и старший автор статьи.
Первые подводные аппараты были разработаны для исследования глубоководных сред с использованием технологий и материалов середины двадцатого века. Самые ранние аппараты характеризовались тремя отличительными особенностями: это были обитаемые подводные аппараты, в которых использовалась обычная высокопрочная сталь в качестве прочного корпуса и бензин для плавучести. Получившиеся в результате корабли не могли двигаться самостоятельно, были большими, тяжелыми и трудными в маневрировании.
Внедрение с течением времени дополнительных технологий, которые облегчили дистанционное и беспилотное управление подводными аппаратами, улучшило их функциональность, но затраты на производство и эксплуатацию продолжали препятствовать их широкому использованию. Вместо этого в подводных лодках, разрабатываемых сегодня, используются твердые плавучие материалы, что позволяет создавать более компактные конструкции, а также сверхвысокопрочная сталь и другие легкие металлы, позволяющие снизить вес подводных аппаратов, одновременно улучшая прочность корпуса, маневренность, а также производственные и эксплуатационные затраты.
«Следующим поколением подводных аппаратов станут роботизированные подводные аппараты типа «рыба», которые характеризуются сочетанием биомимикрии и передовых технологий. Однако для реализации настоящих роботизированных подводных аппаратов типа «рыба» необходимо решить множество ключевых технологий», — сказал Цюй.
В отличие от традиционных подводных аппаратов, которым для движения требуются гребные винты и рули, биомиметические роботизированные подводные аппараты типа «рыба» спроектированы так, чтобы выглядеть и имитировать движение настоящей рыбы. В частности, биомиметические роботизированные подводные аппараты типа «рыба» колеблются вперед и назад, чтобы улучшить маневренность, энергоэффективность и уровень шума по сравнению с традиционными подводными аппаратами. Кроме того, транспортные средства, имитирующие естественное плавательное поведение рыб, меньше беспокоят окружающую воду, чем транспортные средства с гребными винтами.
Прежде чем будет создан идеальный водный робот, необходимо преодолеть множество технологических препятствий. Во-первых, биомиметическим роботам потребуются датчики и системы, имитирующие модульные сенсорные системы настоящей рыбы, что потребует большого количества междисциплинарных исследований в таких областях, как гидродинамика, материалы и искусственный интеллект. Две из крупнейших проблем, с которыми в настоящее время сталкиваются исследователи, — это поддержание эффективности и адаптивного управления подводными аппаратами в меняющихся и сложных условиях.
Исследовательская группа также описала процесс, который они использовали для разработки и производства биомиметического робота-рыбы для практического использования Sea Guru I, поскольку большинство прототипов в литературе разработаны только как модели, подтверждающие принцип работы.
«Следующим шагом нашей группы станет разработка второго поколения подводных аппаратов серии Sea-Guru под названием Sea Guru II, которые предназначены для работы на той же глубине, но будут демонстрировать улучшенные характеристики. Тогда мы сможем разработать третье поколение серии «Sea Guru», которое может работать на всей глубине океана. Наша конечная цель — стать лидером в разработке погружных технологий в мире», — сказал Цюй.