Ons robot is geïnspireer deur die gewone maankwalle. Willyam Bradberry / Shutterstock
Sommige van die laaste gebiede van ongerepte en ongerepte wildernis op aarde bestaan ​​onder die see. Hierdie mariene ekosisteme word egter bedreig deur diepsee-mynprojekte, oliebore en buitelandse windplase. Wanneer hierdie fasiliteite gebou en onderhou word, is dit geneig om die ryk ekologiese netwerke rondom hulle te beskadig.
Robotkundiges en ingenieurs werk daaraan om hierdie probleem aan te spreek en soek na nuwe maniere om masjiene te skep wat kan help om die onderwater komponente van die groeiende buitelandse bedryf te herstel, in stand te hou of te inspekteer. Onder leiding van kollegas Thierry Bujard en Gabriel Weymouth van die Universiteit van Southampton het my span 'n oplossing gevind vir hierdie probleem, die ontwerp van onderwaterrobotte geïnspireer deur die slimste swemmers van die natuur: die ultra-doeltreffende maankwalle.
Tradisionele waterrobotte is ontwerp vir twee hoofdoeleindes: vir doeltreffende, langafstandnavigasie oor oop stukke water, en vir take wat 'n hoë beweegbaarheid nodig het onder die onderliggende strukture. Albei soorte robotte is effektief, maar min robotte kombineer doeltreffende reis met hoë beweegbaarheid. Dit beteken dat die meeste waterrobotte te lomp en onhandig is om die buitelandse bedryf te ondersteun sonder om ook die ondersese omgewing te benadeel.
Inderdaad, met die uitbreiding van buitelandse ontwikkelings na toenemend brose omgewings, sukkel selfs moderne mariene robotte om die kompleksiteit van hul missies die hoof te bied. Daar is tans baie navorsing oor die ontwikkeling van outonome diepsee-robotte, met inisiatiewe soos Xprize befondsing aan sommige van die opwindendste idees.
Om op hierdie uitdagings te reageer, het ingenieurs na biologie gekyk om nuwe vorms van robotiese onderwateraangedrewe te inspireer. Na miljoene jare van evolusie, is die logika van toepassing, moet waterdiere modelle bied om die swakhede van die huidige oes onderwaterrobotte aan te spreek.
Die swemmetode van vis, gebaseer op die klap van hul verskillende vinne, het die primêre bron van inspirasie vir diegene geword eksperimenteer met nuwe onderwatervoertuie. Maar die polsspoel-swemmodus wat deur jellievisse bevoordeel word, word allerweë beskou as die wêreld se mees doeltreffende onderwater-aandrywingsmeganisme, wat 'n meer dwingende tegnologiese oplossing bied wat baie makliker is vir robotiste om na te boots.
Polsslag is afhanklik van die sikliese uitsetting en inkrimping van 'n hol holte van die liggaam van die monster. Hierdie stelsel dryf die inname en uitstoot van water aan, wat kwalle uiteindelik 'n vorm van aandrywing bied.
Ondanks die eenvoud daarvan, kan hierdie swemstrategie ongelooflike ratsheid sowel as hoogs energie-doeltreffend tot gevolg hê. Die vinnigste inkvis kan tot 8 meter per sekonde met behulp van 'n polsspuitstelsel, terwyl die jellievisse Aurelia aurita (ook bekend as die maan-jellievis) is bekend die doeltreffendste swemmer op die planeet.
Deur hierdie organismes te kopieer wanneer ons onderwaterrobotte bou, kan ons nuwe onderwatervoertuie ontwerp wat 'n hoë beweeglikheid met ongeëwenaarde doeltreffendheid kan kombineer. In ons onlangse navorsing, het ons 'n nuwe bio-geïnspireerde robot ontwikkel wat kan ooreenstem met die voortstuwingsdoeltreffendheid van die Aurelia aurita. Om dit te doen, het ons die sleutelbeginsel nageboots wat kwalle in staat stel om hul hoë voortstuwingsdoeltreffendheid te bereik: resonansie.
Die Aurelia aurita of maankwalle word beskou as die doeltreffendste swemmer op aarde. Richard A McMillin / Shutterstock
Resonansie is 'n fisiese verskynsel wat gereeld voorkom in baie alledaagse aktiwiteite soos stap, speel op 'n swaai en selfs sing. As ons byvoorbeeld na 'n swaaiende slinger kyk, weet ons uit ondervinding dat dit sal voortgaan om te swaai totdat dit tot rus kom, en hang in 'n vertikale posisie soos bepaal deur swaartekrag. Die frekwensie waarmee die slinger ossilleer, word sy "natuurlike frekwensie" genoem.
Uit ervaring weet ons ook dat as ons die slinger wil ossilleer, die maklikste manier is om dit te doen deur elke keer as dit die hoogste punt van sy oscillasie is, 'n handige knuffel te gee, net soos wanneer ons 'n kind hoër stoot op 'n swaai. As ons dit doen, laat ons toe dat die slinger of swaai 'resoneer'.
Resonansie vind dus plaas wanneer 'n eksterne krag 'n stelsel op sy natuurlike frekwensie beïnvloed, wat veroorsaak dat die stelsel groter amplitude-ossillasies bereik met 'n fraksie van die benodigde krag. Dit is wat die werking van resonansie so doeltreffend maak. Ons het dieselfde beginsel toegepas op die voortstuwing van ons jellievis-geïnspireerde robot.
Ons het veronderstel dat ons die inherente natuurlike frekwensie van die elastiek sou kon benut deur die ontwerp van 'n robotkwal met 'n elastiese voortstuwingstelsel, om die meganisme in resonansie te laat beweeg. In resonansie gee ons robot kragtige polsstrale teen 'n fraksie van die energiekoste.
Die robot wat ons ontwikkel het, het 'n elastiese binnekamer wat uitbrei en in duie stort onder die effek van 'n sambreelagtige meganisme. Toe dit in 'n watertenk getoets is, het gevind dat die robot sy swemsnelheid verhoog, aangesien die snelheid waarmee dit pols, die natuurlike frekwensie van die elastiese kamer van die robotkwalle nader. Dit het bewys dat ons robot-jellievis resonansie bereik het.
Die doeltreffendheid van 'n stelsel wat homself aandryf, hetsy meganies of biologies, is gebaseer op 'n vergelyking wat die geabsorbeerde krag, die snelheid van die stelsel en die massa daarvan kombineer. Wanneer dit op ons robot toegepas word, stel die vergelyking ons robotkwalle gelyk aan die Aurelia aurita jellievisse.
Dit is 'n treffende resultaat met 'n tweeledige impak. Aan die een kant wys dit vir die eerste keer dat 'n meganiese stelsel die voortstuwingsdoeltreffendheid van die beste swemmers van die natuur kan bereik. Aan die ander kant het ons robot die uitmuntende swem van sy biologiese eweknieë verduidelik - wat nou biologies kan help om terug te keer na die studie van jellievisse en inktvis met 'n heeltemal nuwe perspektief.
Aangedryf deur 'n stelsel wat geïnspireer is deur die doeltreffendste swemmers van die natuur, bied ons robotkwalle 'n prototipe van 'n dinamiese en doeltreffende onderwaterrobot, wat die buitelandse windplaasbedryf eendag kan gebruik om die dele van hul infrastruktuur wat onder die golwe lê, te onderhou.
Francesco Giorgio-Serchi, kanseliergenoot in robotika en outonome stelsels, Universiteit van Edinburgh
Hierdie artikel is op 24 Februarie 2021 opgedateer om die span van die Universiteit van Southampton wat ook aan hierdie navorsing gewerk het, te erken.
Vyf en vyftig lande, waaronder Kanada, die Europese Unie, Japan en Mexiko, het belowe om die doelwit van 30 by 30 te haal. Ander lande soos die Verenigde State, wat nie 'n formele lid van die ...
Klimaat-etikettering het 'n duidelike uitwerking op verbruikers - sowel diegene wat graag bewus wil wees van die klimaatsimpak, as diegene wat die soort kennis aktief wil ignoreer.
Wêreldwyd was net een uit elke 50 nuwe motors in 2020 volledig elektries en een uit 14 in die Verenigde Koninkryk. Klink indrukwekkend, maar al sou alle nuwe motors nou elektries wees, sou dit nog 15-20 jaar neem om die ...