Подводного робота научили плавать по-кальмарьи
Американские инженеры разработали прототип водоплавающего робота, который имитирует способ передвижения кальмаров, используя окружающую воду для создания реактивной водной струи. Корпус устройства может циклически изменять объем и поперечное сечение с помощью механизма, приводимого в движение электродвигателем. В каждом цикле за счет упругой деформации внешней оболочки происходит увеличение объема корпуса и заполнение его водой. Следующее затем быстрое сжатие выталкивает струю воды через сопло в задней части корпуса и создает реактивную тягу. Робокальмар смог развить максимальную среднюю скорость равную 18,4 сантиметрам в секунду, мгновенную скорость около 32 сантиметров в секунду и силу тяги 0,19 ньютонов. В будущем устройство может использоваться для подводных исследований и, например, для сбора образцов воды, говорится в статье, опубликованной в журнале Bioinspiration and Biomimetics.
Роботы из мягких материалов могут эффективно применяться в случаях, когда требуется аккуратное и безопасное взаимодействие с объектами и окружением. Однако недостаточная жесткость конструкции затрудняет их быстрое перемещение в пространстве из-за задержки в передаче воздействия на подвижные элементы робота. В частности, проблема низкой подвижности и маневренности актуальна для мягких роботов в водной среде.
Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Калеба Кристиансона (Caleb Christianson) для решения этой проблемы позаимствовали способ передвижения морских головоногих моллюсков кальмаров. Эти создания обладают эластичным телом без жесткого скелета, но способны быстро перемещаться под водой, циклически набирая воду в полость, образуемую кожаной складкой-мантией, и затем выталкивая ее через специальное отверстие.
Конструкция робота дает возможность изменять объем центральной части и поперечное сечение корпуса, имитируя работу мантии кальмара, что позволяет реализовать эффективное движение не только за счет выбрасываемой реактивной струи, но и благодаря эффекту присоединенной массы, связанному с ускоренным движением жидкости вокруг корпуса и зависящему от его формы. Разработчики отошли от концепции полностью мягкого робота, добавив жесткие элементы в виде двух плат из полилактида, изготовленных с помощью 3D печати и выполняющих роль каркаса. К концам плат крепятся гибкие упругие перекладины из композитного материала G10, играющие роль пружин и ребер корпуса одновременно, а также механический привод, состоящий из зубчатой рейки и электродвигателя с шестерней.
На одной из плат расположено сопло, а сверху вся конструкция обтянута специальной эластомерной «кожей», которая ограничивает внутренний объем и дает около 27 процентов вклада в энергию, запасаемую при деформации во время цикла сжатия.
В герметичном прозрачном пластиковом контейнере размещаются источник питания и система управления для автономного плавания, там же, по словам разработчиков, можно разместить дополнительные сенсоры и камеру, если это необходимо.
Во время каждого цикла работы механизма сперва выполняется сжатие за счет работы электродвигателя с шестерней, двигающейся по зубчатой рейке. Платы движутся по направлению друг к другу и выгибают наружу ребра и эластичную оболочку корпуса, увеличивая тем самым объем центральной части корпуса и заполняя его водой. Когда зубчатое колесо достигает точки, в которой оно больше не связано с рейкой происходит высвобождение запасенной энергии упругой деформации ребер и оболочки и выброс воды из внутреннего пространства наружу в виде реактивной струи. Затем цикл повторяется.
Тестирование возможностей прототипа инженеры проводили в лабораторном резервуаре, а также в большом аквариуме «Берч» с соленой водой в Институте океанографии имени Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего. Робокальмар достиг максимальной средней скорости 18,4 сантиметров в секунду (0,54 длины корпуса в секунду) и максимальной мгновенной скорости равной 32,1 сантиметрам в секунду (0,94 длины корпуса в секунду). Измерения максимальной силы тяги, развиваемой реактивным движителем робота, показали значение 0,19 ньютонов. Кроме того, расчеты показывают, что в свободном плавании эта величина должна увеличивается приблизительно на 0,1 ньютон за счет эффекта присоединенной массы. В экспериментах с фиксированным отклонением вектора тяги была достигнута угловая скорость около 50 градусов в секунду.
Прототип робокальмара показал неплохую надежность, отработав около 5000 циклов сокращений до ремонта, однако, как считают авторы работы, этот показатель можно улучшить, использовав другие материалы. Помимо этого, в следующих версиях прототипа инженеры планируют добавить возможность полноценного управления вектором тяги.
Ранее мы рассказывали о другой разработке инженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Они сконструировали мягкого прозрачного подводного робота, который может двигаться в воде извиваясь всем телом подобно угрю.
Андрей Фокин
Это позволяет тратить в пять раз меньше энергии, чем при полете
Стартап Revolute Robotics из Аризоны разработал гибридного робота, который способен как летать, так и ездить по поверхности. Он представляет собой квадрокоптер, закрепленный на кардановом подвесе внутри металлической клетки сферической формы. Она защищает дрон от повреждений при столкновении с препятствиями, а также выступает в роли опоры при движении по земле, так как благодаря подвесу может свободно вращаться вокруг дрона во всех направлениях. По замыслу разработчиков, робот будет использовать для дистанционного обследования технического состояния оборудования и охраны объектов, сообщает издание New Atlas. Идея о размещении дронов целиком внутри защитного каркаса не нова. Несмотря на дополнительный вес, такой подход позволяет защитить дрон со всех направлений от повреждений при столкновении с препятствиями. Особенно это актуально при полетах в тесных помещениях с большим количеством объектов, например, с целью инспекции состояния оборудования технических сооружений. Такой дрон, к примеру, сделала швейцарская компания Flybotix. Разработанный ею бикоптер имеет защиту в виде почти сферической сетки, полностью покрывающей беспилотник. Схожую конструкцию для защиты дрона использовали и японские инженеры. Однако у предложенного ими варианта была особенность — сферическая защитная клетка, состоящая из двух независимых полусфер, имела возможность свободно вращаться вокруг двух осей, благодаря чему соприкосновение с препятствием меньше влияло на траекторию полета. Дрон, разрабатываемый стартапом Revolute Robotics, также помещен внутрь металлической защитной сетки сферической формы, которая способна вращаться вокруг беспилотника. Но благодаря карданному подвесу, которым квадрокоптер изнутри соединен со сферической оболочкой, это вращение может происходить не по двум осям, а в любом направлении. Эту способность инженеры решили использовать — робот может не только летать, но и ездить по поверхности, используя собственную защитную оболочку в роли всенаправленного колеса. https://www.youtube.com/watch?v=YUcwM7pCZkk Перемещение по поверхности происходит с помощью воздушных винтов дрона, который может наклоняться внутри свободно вращающейся вокруг него сферической оболочки в нужном направлении, регулируя скорость и направление движения. Упругая конструкция клетки и колец подвеса сглаживает толчки и удары, выполняя роль амортизатора. Регулируя уровень тяги пропеллеров, робот способен взбираться по крутым склонам, а при встрече с препятствием, которое нельзя переехать, может просто облететь его по воздуху. При этом на полет тратится в пять раз больше энергии, поэтому передвижение по поверхности оказывается предпочтительнее. В качестве полезной нагрузки робот может нести камеры, лидары и другие сенсоры. Поэтому его можно будет использовать, например, для составления трехмерных карт объектов и обследования технического состояния оборудования и инженерных сооружений, в том числе для инспекции труб. Другим возможным применением робота, по мнению разработчиков может стать охрана территории. Впрочем, защитный каркас — не всегда наилучшее решение, ведь дополнительный вес защиты будет уменьшать время работы дрона. Поэтому инженеры компании Cleo Robotics, которые разработали дрон Dronut X1 специально для работы в помещениях, применили другой подход. Два соосных несущих винта дрона X1 находятся полностью внутри похожего на пончик корпуса, и поэтому надежно защищены от встречи со стенами и другими препятствиями.