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.