Риби здатні швидко мчати у воді та розвертатися одним помахом хвоста. Дослідники намагалися досягти аналогічних результатів за допомогою водних роботів. Одна група дослідників у Китаї досягла прогресу, використовуючи гнучкий електромагнітний плавець, який розганяє підводного робота до швидкості 405 міліметрів (або 1,66 довжини тіла) за секунду. Робот-плавець цієї групи також може здійснювати повороти в радіусі всього лише 0,86 довжини тіла.
Біонічний плавець, розроблений дослідниками, описаний у дослідженні, опублікованому у журналі IEEE Robotics and Automation Letters.
Фанхао Чжоу, доцент Державної ключової лабораторії вивчення океану при університеті Чжецзян в Чжецзяні, Китай, допомагав у керівництві дослідженням. Чжоу зазначає, що риби рухливі, ефективні та адаптивні, і роботизована імітація цих якостей — непросте завдання.
«Традиційні роботизовані плавці, які рухаються двигунами, можуть створювати потужну тягу, але часто вони громіздкі й жорсткі», — говорить він. «М'які приводи, з іншого боку, гнучкі, але зазвичай надто слабкі, щоби бути практичними. Нашою метою було об'єднати найкраще з обох областей — компактний привід, потужний та гнучкий, як справжні м'язи».
Створення плавця нового типу
Отже, дослідницька група розробила гнучкий електромагнітний плавець з еластичним шарніром, який здійснює коливальні рухи вперед і назад із мінімальним тертям. Він складається з двох невеликих котушок та сферичних магнітів. При проходженні змінного струму через котушки створюється магнітне поле, що осцилює, яке змушує плавник коливатися вперед і назад, подібно до риб'ячого хвоста. Коли магнітне поле не осцилює, плавець повертається в нейтральне положення у стані спокою.
У своєму дослідженні дослідники випробували свій біонічний плавець у басейні. Чже Ван, аспірант лабораторії Чжоу, наголошує, що команда не тільки успішно пілотувала біонічний плавець у воді, але й побудувала математичну модель, яка зв'язує електричну енергію з гідродинамічною тягою. "Це означає, що ми можемо передбачити, як плавець поводитиметься під водою, ґрунтуючись тільки на вхідному струмі, що рідко зустрічається в м'якій робототехніці", - говорить він.
У своїх експериментах дослідники використовували високошвидкісну камеру і прецизійний датчик сили для вимірювання траєкторії руху плавника і створюваної ним тяги, досягнувши пікової тяги 0,493 ньютона, попри вагу плавця всього 17 грамів.
Чжоу зазначає, що роботизована система компактна, легка та потужна, і її можна буде легко масштабувати до багатоплавникових систем. Однак він додає, що поточна конструкція споживає багато енергії. "Електромагнітні котушки споживають великий струм, тому тривалість плавання відносно невелика", - пояснює він. "Ми шукаємо способи зниження втрат енергії, наприклад, шляхом оптимізації геометрії котушок, використання ланцюгів рекуперації енергії та застосування інтелектуальних стратегій управління, які не потребують постійного збудження".
Дослідники очікують, що ця роботизована система може знайти широке застосування, у тому числі можливо, у підводних дослідженнях, екологічному моніторингу та інспекціях, наприклад, для безпечної взаємодії з кораловими рифами та морською фауною.
«Наш наступний крок — вивчення скоординованих рухів кількох плавників, що дозволить роботу демонструвати більш гнучкі та реалістичні плавальні рухи», — каже Ван. "Ми також шукаємо способи підвищення енергоефективності, збільшення часу роботи та подальшої мініатюризації системи для невеликих автономних підводних платформ".
