یک ربات شنای سبک برای تکمیل ماموریت های زیر آب

توسعه روبات‌هایی با الهام از حیوانات و دیگر سیستم‌های بیولوژیکی به یک مرکز تحقیقاتی کلیدی برای بسیاری از رباتیک‌ها در سراسر جهان تبدیل شده است. با بازتولید مصنوعی مکانیسم‌های بیولوژیکی، این روبات‌ها می‌توانند به خودکارسازی وظایف پیچیده دنیای واقعی به روش‌های کارآمد و قابل اعتماد کمک کنند.

محققان دانشگاه پولی‌تکنیکا دل مارکه در ایتالیا چندین سال است که در تلاش برای ابداع ربات‌های الهام‌گرفته از زیستی موثر هستند. در مقاله‌ای که اخیراً در MDPI Robotics منتشر شده است، آن‌ها یک ربات خلاقانه زیر آب را معرفی کردند که می‌تواند توسط باستان‌شناسان و دیگر دانشمندان برای کاوش از راه دور محیط‌های زیر آب استفاده شود.

دانیله کاستا، محقق اصلی این مطالعه، به TechXplore گفت: «از زمانی که دایناسور پرنده روباتیکی را که پروفسور فالکن در فیلم معروف «WarGames» در کودکی خلق کرد، رویای طراحی یک همراه بیونیک را داشتم. بنابراین من از زمان پایان‌نامه فارغ‌التحصیلی‌ام روی بیومیمتیک کار می‌کردم و ایده‌ای را توسعه می‌دادم که از ذهن مبتکر همکار و بهترین مردم، پروفسور دیوید اسکارادوزی، و بعداً در طول دوره دکتری‌ام با گروه تحقیقاتی‌ام که توسط پروفسور ماسیمو هدایت می‌شد، ایجاد کردم. کالگری.”

هدف اصلی بیشتر مطالعات اخیر انجام شده توسط کوستا و گروه تحقیقاتی او، ایجاد یک وسیله نقلیه یا ربات مستقل است که بتواند زیر آب شنا کند. برای رسیدن به این هدف، آنها از اصول دینامیک سیال زیربنای حرکت ماهی ها و سایر حیوانات دریایی الهام گرفته اند.

کاستا توضیح داد: «عملکرد پیشرانه ماهی از نظر قابلیت پیشرانش، شتاب و مانورپذیری بسیار فراتر از هنر فن آوری مدرن دریایی است. “با این حال، هدف پروژه ما طراحی یک ماهی خال مخالی بیونیک نیست، بلکه تقلید از طبیعت است، که با بیومیمتیک متفاوت است. ایجاد یک ماهی روباتیک که تمام ویژگی های همتایان بیولوژیکی خود را در بر می گیرد، زمانی که هدف بررسی است، یک ضرورت باقی می ماند. مکانیک سیالات شنا.”

به طور کلی، طرح‌های رباتیک با الهام از زیست‌شناسی سعی می‌کنند از مکانیسم‌های بیولوژیکی استفاده کنند که حرکت حیوانات را قادر می‌سازد تا بر مشکلاتی که عملکرد ربات‌ها یا وسایل نقلیه را مختل می‌کند غلبه کند. برای مثال، آن‌ها می‌توانند مکانیسم‌های خاصی را تکرار کنند تا به گشت و گذار و مانورپذیری کارآمد دست یابند.

کاستا توضیح داد: “مطالعه ما یک سفر طولانی پر از موانع بود.” ما تقریباً بدون هیچ تجربه‌ای در زمینه بیومیمتیک از صفر شروع کردیم. همچنین از نظر قابلیت‌های تولید، مدل‌های ریاضی و شبیه‌سازها کمبود منابع داشتیم. خوشبختانه، زمان و اشتیاق زیادی داشتیم، بنابراین شروع به جمع‌آوری منابعی مانند چاپگرهای سه بعدی کردیم. و ما پلتفرم شبیه سازی و طراحی خود را توسعه دادیم، همان چیزی که در مقاله قبلی خود استفاده کردیم.”

اسکارادوزی با همکاری ANcybernetics (استارت آپ مرتبط با آزمایشگاه خود) علاوه بر طراحی سیستم های الهام گرفته شده از زیستی که می توانند در محیط های واقعی پیاده سازی شوند، نمونه های اولیه ای از سیستم های رباتیک را ایجاد کرده است که می تواند برای آموزش علم و فناوری استفاده شود. ، مهندسی و ریاضیات (STEM) در مدارس ابتدایی و متوسطه. نمونه اولیه رباتی که آنها برای مقاصد آموزشی از آن استفاده می کنند، به شکل ماهی است تا آگاهی نسل های جدید را در مورد حفاظت از حیوانات دریایی و محیط زیست آنها افزایش دهد.

ایده ربات لابرفرم که در مقاله اخیر آنها معرفی شد، زمانی به ذهن کوستا رسید که او در حال تکمیل دکترای خود بود. مطالعات. از آنجایی که سیستم‌هایی که در آن زمان روی آنها کار می‌کرد، توانایی‌های مانور محدودی داشتند، او تصمیم گرفت یک سیستم پارویی ابداع کند که به آنها اجازه دهد در حالی که هنوز هستند در آب بچرخند.

کاستا گفت: «متاسفانه، در آن زمان زمان لازم برای توسعه راه حل خود را نداشتم، تا اینکه قرنطینه بیماری همه گیر اخیر مرا مجبور کرد برای چند ماه در خانه بمانم. “در آن دوره، من مکانیسم حرکت باله های سینه ای را طراحی کردم که در مقاله ما ارائه شده است.”

ربات جدید ایجاد شده توسط محققان می تواند با استفاده از مکانیزمی شبیه به مکانیسم یک قایق پارویی در آب بچرخد. به طور خاص، باله های سینه ای آن در جهت مخالف حرکت می کنند و نیروهای کششی ایجاد می کنند که در یک گشتاور فرمان ترکیب می شوند. این مکانیسم “پارو زدن” شبیه چیزی است که در بسیاری از حیوانات دریایی مشاهده می شود، زیرا آنها در حال شکار و تغذیه در زیر آب هستند.

کوستا توضیح داد: «ماهی‌های روباتیکی که قبلاً پیشنهاد شده بود، می‌توانند از چهار سروموتور برای حرکت باله‌های خود استفاده کنند. “برعکس، طراحی ما دارای یک موتور تک است. گذشته از کاهش بار و اینرسی، بهبود اصلی راه حل ما همگام سازی ذاتی سیستم بین پره های چپ و راست است. مسائل عایق رطوبتی نیز حداقل هستند، زیرا فقط یک موتور نیاز به وجود دارد. مهر و موم شده است.”

تا کنون، کاستا و همکارانش سیستم خود را در مجموعه‌ای از آزمایش‌های انجام شده در یک محیط شبیه‌سازی شده چندفیزیکی ارزیابی کردند. در این آزمایش‌ها، ربات آن‌ها سریع‌تر، مستحکم‌تر و قابل اعتمادتر از دیگر روبات‌های زیرآبی ساخته شده در گذشته به نظر می‌رسید.

طی میلیون‌ها سال در قلمروی وسیع و غالباً متخاصم، ماهی‌ها توانایی‌های پیشرانه‌ای را از بسیاری جهات بسیار برتر از آنچه که توسط na به دست آمده است، توسعه داده‌اند.

کاستا گفت: «خودروهای زیر آب معمولاً از ملخ ها برای ایجاد نیروی رانش لازم استفاده می کنند. با این حال، برنامه‌های کاربردی محیط‌زیست دریایی به دستگاه‌هایی نیاز دارند که بتوانند هم قابلیت مانور خوب و هم سرعت کروز بالا را ترکیب کنند. وسایل نقلیه پروانه‌ای قادر به ترکیب هر دو نیستند.”

بیشتر ربات های زیر آب جهت حرکت خود را در زیر آب با شعاع چرخشی چندین برابر بزرگتر از طول خود تغییر می دهند. در حالی که مانور آن‌ها معمولاً با افزودن ملخ‌های بیشتر به بدنه آن‌ها بهبود می‌یابد، این امر همچنین می‌تواند نیروهای کششی وارد بر روبات‌ها را افزایش داده و سرعت کروز آن‌ها را کاهش دهد.

اسکارادوزی توضیح داد: “محیط های دریایی نیز پر از طیف گسترده ای از پوشش های گیاهی است که ملخ ها می توانند به آنها آسیب برسانند.” برخلاف دیگر راه‌حل‌های موجود، یک وسیله نقلیه زیرآبی که تکنیک‌های حرکت طبیعی را اجرا می‌کند، می‌تواند به سرعت‌هایی در حدود پنج طول وسیله نقلیه در ثانیه، با شعاع چرخش کمتر از طول وسیله نقلیه دست یابد، در حالی که به طور غیر طبیعی محیطی را که از طریق آن حرکت می‌کند مزاحم نکند. “

ربات جدید معرفی شده توسط این تیم محقق در آینده می تواند کاربردهای بسیار ارزشمندی داشته باشد. به عنوان مثال، می‌توان از آن برای نظارت بر سواحل، بررسی زیرساخت‌ها یا تأسیسات دریایی، و جمع‌آوری داده‌ها در مکان‌های باستان‌شناسی یا در محیط‌های دریایی ظریف استفاده کرد. پروفسور اسکارادوزی بیش از پانزده سال در زمینه حفاظت از محیط زیست دریایی و مستندسازی سایت های باستانی با همکاری وزارت میراث فرهنگی ایتالیا فعالیت داشته است.

کاستا افزود: این پروژه در ابتدای مرحله آزمایش است. “با این وجود، ما باید قبل از شروع آزمایش های واقعی منتظر آب و هوای ملایم تر باشیم. ما اکنون قصد داریم پلت فرم چند فیزیک خود را برای اجرای مانورهای تغییر عمق و بازیابی بیشتر گسترش دهیم. همزمان، با استفاده از آموزش های خود به گسترش فرهنگ حفاظت از دریا در بین نسل های جدید ادامه خواهیم داد. ابزار.”

منبع : techxplore