Robot opiera się na wglądzie w dynamikę Atlantic Razor Clam

Małż brzytwy atlantyckiej zużywa bardzo mało energii, aby z dużą prędkością zakopywać się w podmorskiej glebie. Teraz szczegółowy wgląd w to, jak to zwierzę kopie, doprowadził do opracowania robota małża, który potrafi wykonać tę samą sztuczkę.

Urządzenie, znane jako RoboClam, może zostać użyte do zakopania się w ziemi, aby zakopać kotwice lub zniszczyć podwodne miny, według jego twórcy, Amosa Wintera, adiunkta ds. rozwoju kariery Roberta N. Noyce'a w MIT.

Małż brzytwy (po lewej) i RoboClam. Zdjęcie: Donna Coveny.

Pomimo sztywnej skorupy małż brzytwy (Ensis directus) może poruszać się w glebie z prędkością 1 centymetra na sekundę. Co więcej, zwierzę jest w stanie przekopać się do 0,5 kilometra, wykorzystując jedynie ilość energii zawartej w baterii AA. Sztuczka małża polega na poruszaniu muszlami w taki sposób, aby upłynnić glebę wokół ciała, zmniejszając opór działający na niego, mówi Winter. Oznacza to, że wymaga znacznie mniejszej siły, aby wciągnąć swoją skorupę w glebę niż podczas poruszania się po glebie statycznej.

Aby opracować robota, który potrafi wykonać tę samą sztuczkę, Winter i jego współtwórca, Anette Hosoi, profesor inżynierii mechanicznej i matematyki stosowanej na MIT, musieli zrozumieć, w jaki sposób ruch małży powoduje, że gleba upłynnia się lub zamienia w ruchome piaski. jego skorupa. Teraz w artykule, który zostanie opublikowany w czasopiśmie Bioinspiracja i biomimetyka , naukowcy po raz pierwszy ujawniają mechanikę tego procesu i opisują, w jaki sposób ich robot jest w stanie naśladować to działanie.

Mechanika ruchomych piasków

Kiedy małż brzytwa zaczyna kopać, najpierw wycofuje swoją skorupę, uwalniając naprężenie między ciałem a ziemią wokół niego. To powoduje, że gleba zaczyna się zapadać, tworząc lokalne osuwisko wokół zwierzęcia. Gdy małż kontynuuje kurczenie się, zmniejszając swoją objętość, zasysa wodę do tego obszaru zapadającej się gleby. Cząsteczki wody i piasku mieszają się, tworząc fluidalne podłoże — ruchomy piasek.

Ale kluczowy jest czas. Winter mówi, że gdyby małż poruszał się zbyt wolno, cząsteczki piasku zapadałyby się wokół zwierzęcia bez fluidyzacji. Gdyby jednak małż poruszał się zbyt szybko, nie dałoby to cząsteczkom piasku wystarczająco dużo czasu na zmieszanie się z przepływającą wodą i po prostu pozostałyby nieruchome. Nasze dane wykazały, że nastąpiło bardzo gwałtowne przejście od zdolności do fluidyzacji gleby do całkowitego braku ruchu jej cząstek, mówi.

Aby opracować niskoenergetyczny system kotwiczący, który może w ten sposób tworzyć wokół siebie ruchome piaski, naukowcy zbudowali mechaniczną muszlę lalek, składającą się z dwóch połówek, które mogą poruszać się razem i oddalać w sposób podobny do akordeonu. Marionetka małż jest połączona z prętem, który może otwierać i zamykać muszlę oraz pchać ją w górę iw dół, wywołując takie same skurcze, jakie może osiągnąć zwierzę.

Aby ułatwić testowanie prototypu RoboClam w słonej wodzie, naukowcy wykorzystali system sprężonego powietrza do napędzania rozszerzania się i kurczenia muszli. Zespół Wintera pracuje obecnie nad wersją elektroniczną, dzięki czemu będzie kompatybilny z pojazdami podwodnymi opracowanymi przez sponsora zespołu, Bluefin Robotics, spinout MIT z siedzibą w Quincy w stanie Massachusetts.

Kotwienie energooszczędne

Winter po raz pierwszy zaczął opracowywać RoboClam do swoich badań doktoranckich w 2006 roku, wraz z Hosoi. Naukowcy chcieli znaleźć sposób na zakotwiczenie autonomicznych pojazdów podwodnych na dnie morskim lub korycie rzeki bez zużywania dużej ilości energii. Pojazdy zrobotyzowane mają ograniczoną moc baterii, więc energia zużywana przez system kotwiczenia skróciłaby czas pracy urządzenia.

Być może korzystasz z tych pojazdów w prądzie i potrzebujesz, aby były nieruchome — na przykład do monitorowania sytuacji biologicznej lub do celów wojskowych, mówi Winter. Nie chciałbyś, aby pojazd stale obracał śmigła, aby pozostać w jednym miejscu, ponieważ to po prostu marnuje energię, więc byłoby miło, gdybyś mógł po prostu rozłożyć kotwicę i utrzymać swoją pozycję bez zużywania energii.

Oprócz kotwiczenia pojazdów podwodnych i detonowania min, RoboClam może być również używany do układania kabli podwodnych, mówi Winter. Firmy, które układają kable transatlantyckie, tradycyjnie używają statku do przeciągania sań po dnie oceanu, aby wykopać koryto, położyć kabel i przykryć go. Jednak gdy głębokość wody w oceanie spada do 10 metrów lub mniej, staje się ona zbyt płytka, aby statki mogły się przez nią poruszać. Oznacza to, że ludzcy nurkowie muszą przejąć układanie i zakopywanie kabli, co jest zarówno czasochłonne, jak i kosztowne. Mając system, który mógłby po prostu przyczepić się do kabla, pracować dalej i automatycznie wkopać go w glebę, byłoby świetnie, mówi Winter.

Daniel Goldman, docent fizyki w Georgia Institute of Technology, który nie był zaangażowany w badania, mówi, że artykuł zawiera piękną integrację biologii i robotyki. Wykorzystuje spostrzeżenia z fizyki gleby, aby pogłębić naszą wiedzę na temat biomechaniki stojącej za imponującym wyczynem lokomocji organizmu — pionowego kopania w glebie, mówi Goldman.

Odkrywając zasadę stojącą za tą zdolnością — zlokalizowaną fluidyzację — naukowcy są w stanie nadać robotowi kopającemu małżowi, RoboClam, podobne zdolności. A badanie robota daje głębszy wgląd w ważną mechanikę kryjącą się za kopaniem poprzez zlokalizowaną fluidyzację, dodaje.

ukryć