Исследователи из Университета штата Северная Каролина разработали мягкого подводного робота, который способен плавать вперед и назад, подниматься и опускаться в воде, а также вращаться вокруг собственной оси. При этом для выполнения всех этих маневров ему нужны всего два исполнительных механизма — значительно меньше, чем обычно требуется для подобных систем.
Секрет разработки заключается в конструкции, вдохновленной морскими животными, известными как перистые офиуры? Нет, речь идет о морских лилиях, или перистых коматулах (feather stars) — беспозвоночных с многочисленными гибкими отростками, помогающими им перемещаться в воде. Ученые использовали тот же принцип, чтобы создать компактного и маневренного подводного робота.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Science Advances. Разработка может открыть новые возможности для изучения подводного мира, обследования труднодоступных пространств и выполнения задач совместно с другими роботизированными устройствами.
Как устроен подводный робот?
В основе конструкции лежит центральный диск, внутри которого размещены два исполнительных механизма, или актуатора. Эти устройства создают усилие, необходимое для движения. От центральной части отходят четыре гибких крыла, которые взаимодействуют с окружающей водой и позволяют роботу менять направление.
Главная особенность крыльев — способность возвращаться к исходной форме после деформации. Если согнуть такое крыло, а затем убрать воздействующую на него силу, оно распрямится благодаря собственной упругости.
Именно это свойство позволяет роботу обходиться без множества дополнительных двигателей. Вместо того чтобы устанавливать отдельный механизм для каждого направления движения, инженеры используют упругость конструкции и меняют последовательность включения двух актуаторов.
Такой подход называют механическим интеллектом. В этом случае часть задач управления выполняет сама конструкция робота: ее физические свойства помогают преобразовывать простые управляющие воздействия в сложные движения.
«Обычно для достижения такой подвижности потребовалось бы не менее шести актуаторов. Однако благодаря конструкции нашего робота, вдохновленного морской лилией, мы добились того же диапазона движений всего с двумя», — объясняет Цзе Инь (Jie Yin), профессор машиностроения и аэрокосмической техники Университета штата Северная Каролина и один из авторов исследования.
Три режима движения
Исследователи предусмотрели для робота три режима работы. Каждый из них позволяет использовать одни и те же гибкие крылья по-разному.
Режим медузы: движение вверх и вниз
Когда оба актуатора включаются одновременно, четыре крыла резко сгибаются вниз. После отключения механизмов они возвращаются в исходное положение.
Если быстро повторять этот цикл, робот начинает двигаться вверх в толще воды. При более медленном ритме взмахов он способен удерживаться примерно на одном уровне, словно зависая на месте. Если же прекратить движение крыльев, робот опускается.
Этот режим напоминает способ передвижения медуз, которые перемещаются за счет ритмичных сокращений и расслаблений своего тела.
Режим рыбы: движение вперед и назад
Для горизонтального перемещения достаточно активировать только один актуатор. В результате одно из крыльев начинает совершать асимметричные движения, создавая тягу.
Принцип напоминает работу плавника или хвоста рыбы: взаимодействуя с водой, крыло толкает робота в противоположном направлении. Изменяя управляющее воздействие, исследователи могут заставлять устройство двигаться вперед или назад.
Режим ротора: вращение вокруг оси
Третий режим позволяет роботу вращаться вокруг собственной оси. Для этого два актуатора включаются попеременно, создавая чередующиеся движения крыльев.
В результате возникает вращающий момент, который разворачивает устройство. Благодаря этому робот может менять ориентацию и выбирать нужное направление движения.
Сочетая все три режима, исследователи получили возможность управлять движением аппарата сразу в трех измерениях: по вертикали, по горизонтали и вокруг собственной оси.
Почему механический интеллект важнее дополнительных двигателей?
Создание подводных роботов с высокой маневренностью — непростая инженерная задача. Вода создает сопротивление, а сложные движения обычно требуют нескольких приводов, точного управления и дополнительных механических компонентов.
Ранее та же исследовательская группа разработала подводного робота, вдохновленного скатом манта. Он мог быстро перемещаться в воде, однако ему не хватало полноценной трехмерной маневренности.
В новой конструкции ученые решили не усложнять систему дополнительными двигателями, а пересмотреть сам принцип ее работы. Вместо увеличения количества компонентов они использовали гибкость крыльев и особенности их взаимодействия с водой.
Это важный пример того, как грамотная механическая конструкция может расширить возможности устройства без пропорционального увеличения его сложности. Меньшее число приводов потенциально упрощает производство и управление роботом, а также создает предпосылки для разработки более компактных и энергоэффективных систем.
При этом механический интеллект не означает, что роботу вообще не требуется управление. Он по-прежнему зависит от управляющих сигналов, но его конструкция позволяет получать несколько типов движения из небольшого количества воздействий.
Для чего пригодится новый робот?
Исследователи уже продемонстрировали несколько возможных сценариев применения разработки. Робот способен исследовать подводное пространство с помощью камеры, а также поднимать предметы под водой — самостоятельно или совместно с другими подобными устройствами.
В перспективе такие аппараты могли бы использоваться для обследования подводных объектов, изучения водных экосистем и выполнения задач в местах, куда человеку трудно добраться.
Особенно интересна возможность совместной работы нескольких роботов. Если объединить устройства в группу, они потенциально смогут распределять задачи и перемещать объекты, с которыми одному аппарату было бы сложно справиться.
Однако пока речь идет об экспериментальной разработке, а не о готовом коммерческом продукте. Одно из направлений дальнейшей работы — создание полностью беспроводной версии робота. Ученые также рассчитывают сотрудничать со специалистами из других областей, чтобы определить наиболее перспективные варианты практического применения.
Новая разработка показывает, что повышение возможностей роботов не всегда требует установки дополнительных двигателей, датчиков и вычислительных систем. Иногда более эффективный путь — использовать свойства материалов и продумать геометрию конструкции так, чтобы она сама помогала выполнять нужные движения.
Вдохновленный морскими обитателями робот пока находится на исследовательской стадии, но его принцип работы может оказаться полезным для создания следующего поколения подводных аппаратов. Если инженерам удастся объединить высокую маневренность с беспроводным управлением и надежной работой в реальных условиях, подобные устройства смогут стать универсальными помощниками при исследовании океана.
