我們的機器人的靈感來自常見的月亮水母。 威廉姆·布拉德伯里/Shutterstock
地球上最後一些未受破壞的原始荒野地區存在於海底。 然而，這些海洋生態系統正受到深海採礦項目、石油鑽井平台和海上風電場的威脅。 當這些設施的建造和維護時，它們往往會破壞周圍豐富的生態網絡。
機器人專家和工程師正在努力解決這個問題，尋找新的方法來製造可能有助於修復、維護或檢查不斷發展的海上工業的海底組件的機器。 在南安普頓大學同事蒂埃里·布賈德 (Thierry Bujard) 和加布里埃爾·韋茅斯 (Gabriel Weymouth) 的帶領下，我的團隊 找到了解決方案 為了解決這個問題，我們以自然界最聰明的游泳者：超高效的月亮水母為靈感，設計了水下機器人。
傳統的水上機器人的設計有兩個主要目的：高效、 遠距離導航 跨越開闊的水域，以及需要靠近水下結構的高機動性的任務。 兩種類型的機器人都很有效，但很少有機器人將高效行進與高機動性結合起來。 這意味著大多數水生機器人都過於笨拙和笨重，無法在不損害海底環境的情況下支持海上工業。
事實上，隨著海上開發擴展到日益脆弱的環境，即使是最先進的海洋機器人也難以應對其任務的複雜性。 目前正在進行大量研究開發自主深海機器人，其中包括 大獎 為一些最令人興奮的想法提供資金。
船用機械
為了應對這些挑戰，工程師們從生物學的角度尋求新形式的機器人水下推進。 按照邏輯，經過數百萬年的進化，水生生物應該提供模型來幫助解決當前水下機器人的弱點。
魚的游泳方式基於其不同鰭的拍動，已成為那些人的主要靈感來源。 試驗新型水下航行器。 但水母青睞的脈衝噴射游泳模式被廣泛認為是世界上最高效的水下推進機制，提供了一種更引人注目的技術解決方案，更容易讓機器人專家模仿。
脈衝噴射依賴於樣本主體中空腔的循環膨脹和收縮。 該系統驅動水的攝入和排出，最終為水母提供了一種推進力。
儘管很簡單，但這種游泳策略可以帶來令人難以置信的敏捷性以及高能效。 最快的魷魚可以移動到 每秒8米 使用脈衝噴射系統，而水母 極光 （也稱為月亮水母）已知 地球上最高效的游泳運動員.
通過在建造水下機器人時復制這些生物，我們可以設計出能夠將高機動性與無與倫比的效率結合起來的新型水下航行器。 在我們的 最近的研究，我們開發了一種新型仿生機器人，其推進效率可以與 極光。 為此，我們模仿了水母實現高推進效率的關鍵原理：共振。
Aurelia aurita 或月亮水母被認為是地球上最高效的游泳者。 理查德·A·麥克米林/Shutterstock
共振機器人
共振是許多日常活動中常見的物理現象，例如散步、盪鞦韆和 甚至唱歌。 例如，如果我們觀察一個擺動的鐘擺，我們從經驗中知道，它會繼續振盪，直到靜止，懸掛在由重力決定的垂直位置。 擺錘振蕩的頻率稱為其“固有頻率”。
根據經驗，我們還知道，如果我們想讓鐘擺保持擺動，最簡單的方法是每次它達到擺動的最高點時給它一個有用的推動，就像我們把孩子推得更高一樣在鞦韆上。 當我們這樣做時，我們就讓鐘擺或鞦韆“共振”。
因此，當外力以其固有頻率影響系統時，就會發生共振，導致系統以所需力的一小部分實現更大幅度的振盪。 這就是共振運行如此高效的原因。 我們將相同的原理應用於水母機器人的推進中。
我們假設，通過設計具有彈性推進系統的機器人水母，我們可以利用彈性推進系統的固有固有頻率來驅動該機構產生共振。 在共振中，我們的機器人將以一小部分能量成本發出強大的脈衝射流。
我們開發的機器人有一個彈性內室，在傘狀機構的作用下膨脹和折疊。 當在水箱中進行測試時，發現機器人的游泳速度隨著其脈衝速度接近機器人水母彈性室的固有頻率而增加。 證明我們的機器水母已經實現了共振。
一個自行推進的系統（無論是機械系統還是生物系統）的效率基於一個結合了吸收功率、系統速度及其質量的方程。 當應用於我們的機器人時，該方程使我們的機器人水母與 極光 海蜇。
這是一個具有雙重影響的驚人結果。 一方面，它首次表明機械系統可以達到自然界最好的游泳運動員的推進效率。 另一方面，我們的機器人解釋了其生物同類的出色游泳能力——這現在可能有助於生物學家以全新的視角重返水母和魷魚的研究。
我們的機器人水母的系統靈感來自自然界中最高效的游泳者，它提供了一種動態且高效的水下機器人原型，海上風電場行業有一天可能會用它來維護位於波浪下方的基礎設施部分。
關於作者
Francesco Giorgio-Serchi，機器人和自主系統領域校長研究員， 愛丁堡大學
本文於 24 年 2021 月 XNUMX 日更新，以感謝也參與這項研究的南安普頓大學團隊。
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