В роборыбе объединили гидравлический привод и проточный аккумулятор
Американские инженеры разработали роборыбу, в которой актуаторы и аккумуляторы реализованы в виде единых систем. Внутри робота располагаются трубки и камеры, заполненные жидкостью, которая одновременно выступает в качестве электролита проточного аккумулятора и рабочей жидкости гидравлических приводов, отвечающих за движение плавников, рассказывают авторы статьи в Nature.
Обычно инженеры используют в роботах и других машинах в качестве источников движения электродвигатели. Некоторые же пытаются воспроизводить механизмы, найденные у животных. К примеру, в сфере инженерных наук и материаловедения есть достаточно широкое направление, занимающееся созданием искусственных мышц, способных сокращаться или расширяться под действием электрического тока, света, нагревания или давления. Однако мышцы — это не единственный механизм движения, используемый животными. Например, некоторые пауки используют гидравлические приводы — они распрямляют конечности, увеличивая давление гемолимфы в них.
Роберт Шеперд (Robert Shepherd) и его коллеги из Корнеллского университета и Пенсильванского университета применили в своем роботе-рыбе гидравлические приводы, но использовали достаточно интересную конструкцию, благодаря которой им удалось избавиться от отдельного аккумулятора. Инженеры использовали схему проточного аккумулятора, в котором электролит циркулирует по системе трубок и подается в область с электродами, разделенную на две части ионообменной мембраной. В этом роботе установлено два таких аккумулятора. В передней части робота установлено два насоса для перекачивания электролита — по одному на каждый аккумулятор. Один из аккумуляторов связан с полостями в спинном и грудных плавниках, а второй с полостями в хвостовом плавнике.
Катоды, аноды и разделяющие их мембраны установлены в плавниках. В качестве материала электродов инженеры использовали угледордный войлокообразный материал, в который вплетали никелевую или стальную проволоку — в зависимости от того, анод это или катод. Электролитом в аккумуляторах выступает водно-спиртовой раствор иодида цинка. Принцип работы аккумулятора основан на окислительно-восстановительном взаимодействии ионов цинка и иода. При разрядке цинк, скопившийся на аноде, окисляется и в виде ионов переходит через мембрану в электролит, отдавая при этом электрон в электрическую цепь. На катоде при этом электроды из цепи восстанавливают ионы I3- до I-.
Насосы в такой конструкции выполняют сразу две функции. Во-первых, они обеспечивают равномерную концентрацию ионов возле электродов благодаря движению жидкости. Во-вторых, они позволяют роботу двигать плавниками. Эксперименты показали, что благодаря движениям хвостового плавника робот может плыть со скоростью 1,56 длины тела в минуту. Кроме того, робот может двигать грудными плавниками.
За управление роботом отвечает плата Arduino Uno. Стоит отметить, что для питания насосов инженеры установили в роботе отдельные аккумуляторы и преобразователь напряжения до 12 вольт. Расчеты авторов показывают, что максимальная теоретическая плотность энергии раствора иодида цинка составляет 332 ватт-часов на литр, что, например, вдвое меньше аналогичного показателя литий-ионных аккумуляторов электромобиля Tesla Model S. Реальные измерения показали плотность мощности на уровне 124 ватт-часов на литр. Исходя из этого инженеры подсчитали, что робот может плыть, постоянно двигая плавниками, в течение 36,7 часа.
В прошлом году ученые из США и Саудовской Аравии использовали конструкцию проточного аккумулятора при создании гибридного устройства для накопления солнечной энергии. Оно состоит из нескольких слоев, между которыми происходят окислительно-восстановительные реакции, причем их ход зависит от того, какие электроды (от аккумулятора или солнечной панели) используются в момент времени. Средняя эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, отдаваемую проточным аккумулятором на протяжении десяти циклов, оказалась равной 14,1 процента.
Григорий Копиев
Для движения ему достаточно одного актуатора
Инженеры разработали миниатюрного робота CurveQuad массой чуть больше 10 грамм. Его гибкий корпус деформируется за счет изогнутых складок и позволяет роботу продвигаться вперед, а также поворачивать, используя для этого только один актуатор. Разработчики продемонстрировали способность CurveQuad автоматически двигаться в направлении источника света, определяя его положение с помощью встроенных фотоэлементов. Текст доклада с описанием робота опубликован в рамках конференции IROS 2023. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Интерес инженеров к разработке миниатюрных роботов связан возможностью выполнять задачи в условиях ограниченного пространства. Например, миниатюрных роботов предлагают использовать для внутренней диагностики механизмов без их разборки, для разведки, и для обследования разрушенных в результате стихийных бедствий зданий в поисках выживших людей. Однако разработка роботов сантиметрового масштаба — непростая задача и ее решение требует множества конструктивных компромиссов. Более сложная походка, например, может добавить роботу проворности, однако одновременно с этим приведет к росту числа степеней свободы конечностей, а значит к увеличению количества используемых актуаторов. Это, в свою очередь, оборачивается усложнением конструкции, увеличением размеров, массы и энергопотребления. Одним из решений этой проблемы могло бы стать применение в конструкции элементов оригами или киригами. Складки упругого материала, выполненные с дополнительным изгибом, позволяют накапливать дополнительную механическую энергию, чем можно воспользоваться, чтобы сократить число актуаторов, необходимых для приведения робота в движение. Такой подход выбрали инженеры под руководством Синтии Сун (Cynthia Sung) из Университета Пенсильвании. Они создали миниатюрного робота под названием CurveQuad, который благодаря изогнутым складкам в конструкции оказался способен передвигаться с помощью всего лишь одного актуатора. Масса робота составляет 10,9 грамм, а ключевая деталь его корпуса представляет собой тонкую прямоугольную пластину из PET-пластика (полиэтилентерефталат) размером 80 × 55 миллиметров. В ней с помощью лазера выполнены прорези в виде последовательно расположенных полукругов, образующих паттерн в форме двух параллельных дуг с каждой стороны пластины, симметрично расположенных относительно центра. Материал в этих областях может легко изгибаться благодаря прорезям, создавая выпуклую и вогнутую складки. В центральной полосе обеих дуг на небольшом расстоянии друг от отдруга закрепляются концы двух «сухожилий» — тяг, которые соединяются противоположной стороной с концами рычага, закрепленного на сервомоторе, ось которого находится в центре пластины. Сервопривод может поворачивать рычаг в диапазоне 270 градусов, при этом «сухожилия», соединяющие концы рычага с корпусом, стягивают его вовнутрь, приводя к изгибам. В зависимости от угла поворота рычага корпус может из плоской пластины принять симметричную куполообразную форму. В этом положении концы пластины начинают играть роль четырех конечностей робота. В промежуточных положениях рычага сервопривода корпус несимметрично деформируется по диагонали. При этом передняя «конечность» приподнимается над поверхностью, а задние смещаются друг относительно друга. Из-за возникающей между ними разности в силах трения в этот момент корпус робота смещается вперед. Если затем такую же деформацию выполнить в противоположную сторону, то робот сделает второй шаг с помощью второй «ноги». Регулируя с помощью угла поворота рычага величину деформации, а следовательно и длину шага слева и справа можно управлять направлением движения робота CurveQuad. https://www.youtube.com/watch?v=RnSHG5F2Iek Для демонстрации возможности управления роботом с помощью обратной связи, инженеры установили на углах корпуса четыре фотоэлемента. Алгоритм сравнивает сигналы, полученные от сенсоров с левой и правой сторон, и в зависимости от того, с какой стороны сигнал больше, выбирает походку, которая поворачивает робота в этом направлении. В результате в каком бы положении робот ни находился изначально, он разворачивается на источник света и начинает двигаться в его направлении. В своей следующей работе инженеры планируют сосредоточиться на взаимодействии между несколькими роботами CurveQuad. Для этого они планируют добавить им возможность общаться друг с другом, чтобы роботы могли выполнять задачи сообща, например, вместе обследовать окружающую территорию. А вот другому микророботу, созданному группой американских и китайских инженеров, для передвижения не нужны сервомоторы. Вперед он движется под действием колебаний встроенной в его корпус пьезоэлектрической пленки, а повороты совершает за счет изменения силы трения между поверхностью и электростатическими площадками на концах передних ног.