Нет ничего удивительного в том, что ученые из самых разных отраслей науки часто черпают вдохновение у природы, ведь флора и фауна в том виде, в котором мы видим ее сейчас, развивалась в ходе невероятно длинной эволюции, целью которой было совершенствование этих биологических систем. Перенос механизмов работы тех или иных аспектов этих биосистем на искусственные сопряжен с рядом трудностей, но приносит свои плоды. Ученые из Университета штата Северная Каролина (США) обратили свое внимание на скатов мант, а точнее на их локомоцию, дабы попытаться воссоздать ее в роботизированной системе. Какие именно аспекты плавания мант привлекли ученых, как они были реализованы в роботе, и где может быть применена подобная разработка. Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Морские животные с различными режимами плавания представляют собой богатый ресурс для биоинспирированных мягких плавающих роботов. Среди них скаты особенно привлекательны как вдохновение при проектировании быстроплавающих, эффективных и маневренных роботов из-за их отличительных биологических особенностей, таких как дорсовентрально сплющенные тела и сильно расширенные грудные плавники. Машущее движение, наблюдаемое в грудных плавниках скатов, известное как скатообразная локомоция, приводит к дорсовентральной деформации по размаху и хордовым распространяющимся волнам. Эта форма плавания известна своей высокой скоростью, высокой эффективностью и высокой маневренностью, достигаемой за счет низкочастотного (менее 2 Гц) и высокоамплитудного хлопка плавниками.
Недавние усилия по созданию мягких плавающих роботов, подобных мантам, были направлены на имитацию такой подвижной формы плавания с использованием мягких материалов и механизмов взмахивания, интегрированных со сложными силовыми агрегатами и модулями управления. Однако эта цель еще не достигнута.
Недавние исследования ученых в области мягких плавающих роботов дали хорошие результаты. Мягкий пловец (плавающий робот) состоит из мягкого пневматического двунаправленного изгибающего привода в качестве своего тела и пары бистабильных крыльев. Двунаправленное сгибание его тела приводит в действие вызванное щелчком (толчком) ускоренное вращение и взмахивание крыльев, достигая как высокой скорости плавания в 3.74 длины тела в секунду (ДЛ/с или BL/s), так и высокой эффективности при низкой частоте срабатывания 1 Гц. Он использует быструю нестабильность щелчка в бистабильных крыльях для достижения быстрого реагирования и усиленной силы посредством быстрого высвобождения энергии. Таким образом, это обеспечивает многообещающую стратегию эффективного преодоления внутренних ограничений традиционных мягких плавающих роботов, включая малую амплитуду взмахов плавников, медленную динамику реагирования и небольшую движущую силу.
Несмотря на очевидный потенциал, остаются заметные проблемы и ограничения в достижении быстрых, энергоэффективных и маневренных мягких плавающих роботов в сложных неструктурированных подводных средах. Во-первых, стратегия бистабильности энергетически неэффективна и усложняет как конструкцию, так и управление, особенно для периодического движения и локомоции. Бистабильная структура будет оставаться в любом из стабильных состояний и потребует дополнительного внешнего ввода энергии приведения в действие для обратимого переключения между двумя стабильными состояниями. Например, для бистабильного пловца с машущим крылом при надувании в нижнем слое приведения в действие мягкое тело изгибается вверх; следовательно, крыло переключается, чтобы взмахнуть вверх, и остается в стабильном состоянии взмаха вверх. Оно не переключается обратно, чтобы взмахнуть вниз при сдувании, если только не согнуть мягкое тело вниз, надув другой слой приведения в действие сверху. Таким образом, ему нужны два входа приведения в действие и четырехступенчатая последовательность приведения в действие (надувание-сдувание на верхнем приводе, за которым следует надувание-сдувание на нижнем приводе) для достижения одного цикла взмахивающего движения. Двойные входы срабатывания добавляют дополнительный вес и сложность с точки зрения конструкции, срабатывания и управления, ограничивая как скорость, так и энергоэффективность.
Во-вторых, маневренность мягких плавающих роботов в неструктурированной подводной среде с препятствиями, особенно способность плавать на разных глубинах и устойчивость к столкновениям, остается в значительной степени неизученной. Бистабильный пловец с машущим крылом ограничен плаванием близко к поверхности воды, поскольку бистабильная конструкция затрудняет добавление дополнительного веса для плавания под водой из-за его многоступенчатого приведения в действие, не говоря уже о плавании на разных глубинах. Чтобы регулировать плавучесть под водой, морские животные, такие как рыбы, часто используют заполненные газом плавательные пузыри. Вдохновленные рыбами, ученые изучали интеграцию заполненных жидкостью плавательных пузырей с мягкими плавающими роботами для управления плавучестью. Однако для заполнения жидкостных камер в пузырях требуется дополнительное приведение в действие.
В-третьих, форма волны движений оказывает заметное влияние на генерацию тяги, эффективность и скорость плавания как у морских животных, так и у плавающих роботов. Движения кончиков плавников мант и роботов, подобных мантам, включая бистабильного пловца с машущими крыльями, в значительной степени синусоидальны. С точки зрения механики жидкости эти синусоидальные движения создают обычные обратные вихревые дорожки Кармана*, что приводит к образованию единственного реактивного следа, ответственного за генерацию тяги.
Вихревая дорожка (дорожка Каармана)* — цепочки вихрей, которые наблюдаются при обтекании жидкостью или газом протяженных цилиндрических тел (или других линейно вытянутых плохо обтекаемых профилей) с продольной осью, перпендикулярной направлению движения сплошной среды.
Однако предыдущие исследования показывают, что несинусоидальные пропульсивные движения, такие как квадратная форма волны, могут создавать до четырех раз большую тягу, чем синусоидальные движения. Это увеличение тяги достигается за счет генерации вихревых диполей, создаваемых резкими стартовыми и стоповыми квадратными волновыми движениями, что приводит к образованию разветвляющихся двойных реактивных следов. Таким образом, несинусоидальные движения предлагают новые стратегии для увеличения тяги, скорости плавания и эффективности мягких плавающих роботов, которые остаются в значительной степени неисследованными.
Изображение №1
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают стратегии использования моностабильной нестабильности в пловцах с мягкими машущими крыльями для достижения высокой скорости, высокой эффективности и высокой подводной и подводно-поверхностной маневренности с высокой устойчивостью к столкновениям. Мягкий пловец имеет моностабильное крыло (1A). По сравнению с бистабильными конструкциями, моностабильное крыло имеет только одно стабильное состояние, т. е. оно переходит в нестабильное состояние при приведении в действие (т. е. ход вниз) и спонтанно возвращается в свое исходное единственное стабильное состояние (т. е. ход вверх) при деактивации без потребления дополнительной энергии (1B и 1C). Таким образом, для достижения периодического машущего движения требуется только один входной сигнал приведения в действие (актуации). Это в значительной степени упрощает актуацию, конструкцию и управление для достижения рекордно высокой скорости, почти вдвое превышающей скорость плавания (~ 6.8 BL/s), при этом потребляя в 1.6 раза меньше энергии по сравнению с бистабильной конструкцией (1D). Благодаря комбинированному моделированию вычислительной гидродинамики (CFD от computational fluid dynamics) и измерению скорости с помощью изображения частиц (PIV от particle image velocimetry) ученые обнаружили, что основной механизм для более высокой скорости заключается в вызванном моностабильностью движении квадратной волны в крыле, которое генерирует разветвляющиеся потоки для более высокой тяги. Кроме того, моностабильная конструкция также обеспечивает уникальные возможности, недостижимые в бистабильных конструкциях, включая плавание на разных глубинах путем простой настройки частоты срабатывания без необходимости интеграции дополнительных плавательных пузырей, навигацию по простой подводной вертикальной полосе препятствий с высокой устойчивостью к столкновениям (1E), а также облегчает беспроводные конструкции благодаря упрощенной актуации и управлению.
Результаты исследования
На 1A показана схематическая конструкция и изготовление моностабильных мягких пловцов с машущим крылом. Она соответствует конструкции предыдущего бистабильного мягкого пловца с машущим крылом, разработанного учеными ранее. Склеивание кончиков двух параллельных полиэфирных лент спонтанно образует пару бистабильных предварительно изогнутых каркасных крыльев (1A,i и 1A,ii). Иными словами, ученые использовали термическую обработку для частичного высвобождения предварительно сохраненной упругой энергии деформации в каркасном крыле, тем самым делая бистабильное крыло моностабильным (1A,ii и 1A,iii). Поэтому для управления машущим движением моностабильных крыльев нужен только мягкий пневматический изгибающий привод в качестве его мягкого корпуса с одним верхним слоем встроенных воздушных каналов, показанных на 1A,i.
На 1B и 1C показано четкое различие между бистабильными и моностабильными мягкими пловцами с машущим крылом с точки зрения поведения актуации. Как для бистабильных, так и для моностабильных крыльев до и после термической обработки начальная вогнутая конфигурация крыла представляет собой одно стабильное состояние. Надувание воздушных каналов изгибает мягкое тело вниз, заставляя крыло переключиться и сделать рывок вниз. В случае бистабильного крыла крыло остается в выпуклой конфигурации после сдувания и даже при отрицательном давлении (1B). Его нельзя привести в действие, чтобы оно резко вернулось к своей первоначальной конфигурации, если не добавить еще один слой воздушных каналов на его дно.
Для случая моностабильного крыла при сдувании оно спонтанно переключается назад и делает рывок вверх, чтобы вернуться в свое первоначальное единственно стабильное состояние, вызванное упругой восстанавливающей силой (1C). Это связано с тем, что выпуклая конфигурация соответствует второму устойчивому состоянию в бистабильном крыле, но неустойчивому состоянию в моностабильном крыле.
Спонтанный возврат в исходное положение в моностабильных конструкциях обеспечивает довольно много преимуществ и уникальных возможностей для плавания, которые недостижимы в бистабильных конструкциях. Он в значительной степени упрощает конструкцию, актуацию и связанное с этим управление, поскольку для этого требуется только управление одним единственным входом актуации, что также облегчает беспроводную конструкцию. Он уменьшает вес пловца без необходимости в дополнительном слое актуации на дне. Он более энергоэффективен, поскольку ему не нужно потреблять дополнительную энергию для возврата в исходное положение, как в случае бистабильного пловца. Он может ускорить пиковую частоту срабатывания более чем в 1.6 раза по сравнению с бистабильной конструкцией. Он обеспечивает движение кончика крыла по форме квадратной волны для более высокой тяги и мощности, чем синусоидальная форма волны в бистабильных пловцах и других плавающих роботах с машущими крыльями.
Таким образом, спонтанный возврат в исходное положение может достичь почти в два раза более высокой скорости плавания 6.8 BL/s при низкой частоте срабатывания 1.67 Гц, чем его бистабильный аналог, но без ущерба для высокой энергоэффективности (1D) и потребляя в 1.6 раза меньше энергии. Эта скорость более чем в 1.7 раза выше, чем у самого быстрого высокочастотного тунбота (4.0 BL/s при частоте биения хвоста 15 Гц). Он обеспечивает исключительные возможности по сравнению со своим бистабильным аналогом-пловцом, включая грузоподъемность, высокую маневренность при плавании на разных глубинах для преодоления подводной полосы препятствий за счет регулирования плавучести путем простой настройки частоты срабатывания (1E), а также устойчивость к столкновениям для устойчивого плавания при столкновении с препятствиями.
Изображение №2
На 2A показана фазовая диаграмма перехода от бистабильных к моностабильным крыльям в мягких роботах с машущим крылом с разной длиной размаха крыльев (S) после определенной продолжительности термической обработки (T) при температуре 55 °C. Фазовая диаграмма построена на основе измеренных кривых сила-смещение (F-d) для изготовленных бистабильных крыльев с разными S и T (2B и 2C). Она показывает, что для любого заданного S по мере увеличения T изначально бистабильное крыло постепенно перейдет в моностабильное крыло из-за снятия предварительного напряжения, где его предварительно изогнутая форма крыла почти не меняется до и после перехода. Для крыльев с меньшим S оно имеет гораздо более высокую предварительно сохраненную упругую энергию; таким образом, требуется больше времени T для высвобождения энергии и перехода в моностабильное состояние.
На 2C и 2D показано изменение измеренных кривых F-d и соответствующих им кривых энергетического ландшафта (U-d) для изначально бистабильного крыла (S = 160 мм) с различными T соответственно. Для T = 0 минут, по мере увеличения смещения, оно показывает как отрицательный наклон, так и отрицательные силы на кривой F-d (2C) и два локальных минимума энергии на кривой U-d (2D), подтверждая ее бистабильность. Когда T увеличивается до ~20 минут, бистабильная кривая F-d переходит в критическое состояние, где она почти пересекается с горизонтальной линией нулевой силы (2C), указывая на переход из бистабильного в моностабильное состояние. Это соответствует переходной зоне на фазовой диаграмме (2A). Соответствующая кривая U-d показывает только один локальный минимум при d = 0, т. е. исходное единственное устойчивое состояние (2D). При дальнейшем увеличении T кривая F-d располагается значительно выше линии нулевой силы (2C) с единственным локальным минимумом энергии на кривой U-d, полученным как в экспериментах (2D), так и в результате аналитического моделирования, что подтверждает ее сохраненную моностабильность.
Фазовая диаграмма дает важные указания по проектированию высокоскоростного моностабильного робота с машущим крылом. Поскольку мощность быстрых ударов крыльев в основном определяется количеством упругой энергии, высвобождаемой во время перехода в моностабильных крыльях, для любой заданной длины размаха крыльев, для достижения потенциально самой быстрой скорости плавания необходимо выбрать критическое время термической обработки, попадающее прямо в переходную зону фазовой диаграммы на 2A. Это связано с тем, что моностабильное крыло в критическом состоянии в переходной зоне имеет самую высокую предварительно сохраненную энергию деформации для последующего максимального высвобождения энергии во время активированного переключения, поскольку дальнейшая длительная термическая обработка уменьшит предварительно сохраненную упругую энергию, ослабляя рабочий ход, несмотря на его моностабильность.
Изображение №3
Изображение №4
На 3A и 4A показаны покадровые изменения локомоции при свободном плавании (вид сбоку) и стационарном плавании (изометрический вид) моностабильного робота с машущим крылом (S = 160 мм, T = 20 минут) вблизи поверхности воды во время одного цикла актуации опускания крыла и восстановления после подъема соответственно (видео №1 и №2).
Видео №1
Видео №2
Частота актуации составляет f = 1.25 Гц, а давление актуации составляет P = 61 кПа. Движения кончика крыла (например, смещение, скорость и ускорение как по горизонтали, так и по вертикали) и траектории показаны на рисунках 3B и 4B соответственно. При надувании тело наклоняется вниз, чтобы постепенно управлять как вращением против часовой стрелки, так и движением крыла вниз, за которым следует быстрое ускорение движения вниз, обеспечиваемое быстрым переключением в течение короткой продолжительности 21 мс (3A, 3B, 4A—4C), чтобы двигаться вперед.
Затем, при сдувании, оно быстро и спонтанно возвращается в свою первоначальную конфигурацию, совершая движение вверх для дальнейшего продвижения вперед. Переключение происходит в течение 36 мс. Отслеживаемые траектории кончика крыла и мягкого тела демонстрируют высокую повторяемость и последовательность. Траектория кончика крыла показывает высоко асимметричную трехмерную форму 8 (4B), в то время как его мягкое тело показывает двухмерное изгибающее движение (4C), что указывает на сильную деформацию и асимметрию движения двух переключений.
Это резко контрастирует с симметричной 8-подобной формой траектории кончика, наблюдаемой в его бистабильном аналоге. Следовательно, движение кончика показывает асимметричное движение, похожее на квадратную волну, а не синусоидальные движения, наблюдаемые в его бистабильных аналогах и других вдохновленных мантой плавающих роботах, усиливая тягу. Во время плавания угол траектории изменяется и показывает синусоидальный рисунок из-за волнистости его мягкого тела (3C).
Видео №3
Параметрические исследования поведения при плавании моностабильных роботов с машущим крылом с различными S и частотой срабатывания (f) показывают, что он может достигать высокой скорости плавания и высокой энергоэффективности при низких затратах энергии. При S = 157 мм и f = 1.67 Гц он может плавать с пиковой средней скоростью ~156.4 мм/с, что эквивалентно ~6.8 BL/s (3D; видео №3). Это связано с генерацией самой высокой силы тяги (3E). Такая высокая скорость более чем в 1.8 раза быстрее, чем у его бистабильного аналога (~ 3.74 BL/s). Стоит отметить, что он также показывает высокую энергоэффективность при низком потреблении энергии. Энергоэффективность оценивается числом Струхаля (St), которое определяется как St = fA/U (A — амплитуда взмахов, а U — скорость движения). Значения St всех пловцов с S = 157 мм при разных f попадают в наблюдаемый естественно выбранный узкий диапазон 0.2 < St < 0.4 для высокой энергетической эффективности. Потребление энергии оценивается по стоимости транспортировки (CoT от cost of transport), определяемой как CoT = E/(mgd) (E — это потребляемая энергия, m — масса, g — стандартная гравитация, а d — пройденное расстояние). Более низкое значение CoT указывает на более низкое потребление энергии. Пиковая скорость также показывает самое низкое значение CoT = ~23.7 (3G), что более чем в 1.64 раза меньше, чем у бистабильного аналога (~39).
Изображение №5
Чтобы лучше понять базовый механизм для наблюдаемого высокоскоростного и высокоэффективного моностабильного пловца, ученые объединили измерения PIV и моделирование CFD, чтобы раскрыть механизм генерации тяги, вызванный моностабильной переключаемой неустойчивостью.
Видео №4
Видео №5
Видео №6
Пловец в эксперименте PIV имел число Рейнольдса (RePIV) 6500 на основе предписанной скорости плавания и длины крыла. Для моделирования CFD, чтобы сэкономить вычислительные затраты, использовалось меньшее число Рейнольдса (ReCFD) 1500. Многие исследования CFD биологических организмов и биоинспирированных приложений показали, что Re более 1000 может устранить эффект вязкой диффузии и достаточно для выявления основных механизмов потока, создающих силу, которые применяются также к более высокому Re. Тем не менее, чтобы гарантировать, что физика потока, разрешенная в решателе CFD, является хорошим отражением реальности, двумерные поперечные сечения следа сравниваются с изображениями PIV (5A—5F). Несмотря на разницу в Re, измерения PIV (5A—5C; видео №4 и №5) и моделирование CFD (5D—5F; видео №6) демонстрируют отличную согласованность.
Неустойчивая динамика следа, полученная как в экспериментах, так и в результате моделирования, раскрывает механизм генерации тяги. Мягкий пловец сбрасывает одну пару противоположно вращающихся вихрей как при движении вниз с переключением (5A и 5D), так и при движении вверх с переключением (5B и 5E). Эти вихревые диполи и возникающие в результате струйные потоки отвечают за генерацию тяги. Когда плавник переключается, положительный вихрь передней кромки (LEV от leading-edge vortex), образованный под плавником во время движения вверх, сливается с сброшенным положительным вихрем задней кромки (TEV от trailing-edge vortex), что приводит к более сильным диполям TEV и, следовательно, более сильной струе. Однако этот механизм слияния вихрей не наблюдается для обратного переключения в исходное положения плавника. Таким образом, мгновенное переключение из исходного положения создает более сильную струю и, следовательно, большую тягу по сравнению с мгновенным переключением обратно в исходное.
Видео №7
На 5G—5K показаны трехмерные образования следов движений «переключений вперед» и «переключений обратно» (видео №7) с обозначенными ключевыми вихрями. Вихревые диполи, обнаруженные на плоскости четверть размаха, как показано на 5A—5E, соответствующие сильным струям, здесь сосредоточены по направлению к области кончика. Эти концевые диполи образуются после «переключений вперед» и «переключений обратно» и появления соответствующих струй с высоким импульсом (5K). Эти струи, соответственно, сильны и сконцентрированы вблизи кончиков. Кроме того, было обнаружено, что петли хвостовых вихрей образуются вблизи задних кончиков плавников. Эти вихри образуют полупетли (5G и 5I) и также могут вызывать поток с высоким импульсом в его центре, что приводит к образованию струй хвоста (5K).
Другая область, показанная на графике среднего следа с заметным продольным импульсом, находится прямо под ребрами. Поперечное сечение этой области с высоким импульсом, ограниченное кончиком, показано на 5C и 5F. Они соответствуют образованию LEV во время обратного движения. Быстрое переключение приводит к циркуляции жидкостей вокруг передних кромок ребер, образующих LEV, которые затем отделяются и катятся по нижней поверхности плавника (5A—5E и 5G—5J). Увеличенная циркуляция из-за LEV, вероятно, вытягивает жидкость из восходящего потока и, таким образом, вызывает быстро движущийся поток вниз по течению. Вихрь тела (5H) и взаимодействие пары хвостовых вихрей (5I) вызывают поток, направленный вперед, что соответствует отсутствию струй непосредственно позади тела.
Ученые отмечают, что существуют как сходства, так и различия между механизмом генерации тяги моностабильного мягкого пловца и механизмом рыб и скатов. Переключающееся движение крыльев мягкого пловца создает LEV, что широко наблюдается в биологических системах, таких как крылья птиц и насекомых, хвосты рыб и плавники манты. Этот механизм создания силы на основе LEV широко признан высокоэффективным. Как и у манты, создание LEV моностабильного робота более заметно вблизи кончиков плавников, чем у их корней. Для сравнения, во время плавания рыб хвосты, как наблюдается, создают циркуляцию LEV, более равномерно распределенную по размаху хвоста рыбы. След моностабильного пловца вблизи кончиков плавников состоит из двух пар положительных и отрицательных вихрей (2P), создаваемых за один цикл взмахов. Эти пары вихрей вызывают в следе бифурцирующие струи с высоким импульсом. Этот след типа 2P отличается от обратных вихревых дорожек фон Кармана, состоящих из двух одиночных вихрей противоположных знаков (2S), создаваемых за цикл плавания, часто наблюдаемых в следе многих рыбоподобных и скатоподобных пловцов с волнообразной кинематикой. След 2P часто связан с выраженным созданием силы как в продольном, так и в боковом направлениях, что помогает моностабильному пловцу поддерживать высокую скорость и маневренность. Переключающееся движение моностабильного пловца менее волнообразно и более колебательно, что делает переход 2S в 2P более вероятным.
Еще одним отличием нынешнего моностабильного мягкого пловца является его квадратная форма волны актуации. В то время как движения кончиков многих рыбоподобных и лучеподобных биосистем в значительной степени синусоидальны, скорость кончиков плавников изучаемого пловца ближе к квадратной форме волны, показывая два выраженных пика в одном цикле из-за переключений (3B). Предыдущие исследования показали, что квадратная форма волны может производить до четырех раз больше тяги, чем синусоидальная форма волны, благодаря генерации более сильных струй тяги. Таким образом, используя этот моностабильный механизм переключений, мягкий пловец, по-видимому, может достичь более высоких показателей плавания, чем обычные роботы, подобные мантам.
Изображение №6
Далее ученые изучили подводную и подводно-поверхностную маневренность моностабильного пловца (S = 157 мм) как в свободной, так и в неструктурированной среде без препятствий и с препятствиями соответственно. Чтобы заставить его плавать под водой, ученые увеличили его собственный вес, прикрепляя небольшой груз под центром его живота, например, небольшой стальной шарик весом 0.68 г, ~30% от его собственного веса (2.2 г), что не влияет на его переключающееся движения. Без приведения в действие слегка утяжеленный мягкий пловец опускается на дно воды из-за его немного большей плотности массы, чем у воды.
Видео №8
Мягкий пловец демонстрирует различные маневренные режимы плавания за счет простой настройки частоты срабатывания одного входа f (6A; видео №8). При относительно высокой f = 1.43 Гц он может быстро плыть и подниматься со дна на поверхность воды. Достигнув поверхности воды, он плывет стабильно и плавно переходит в режим быстрого поверхностного плавания (6A,i, 6B). При небольшом снижении f, например, f = 1.25 Гц, он постепенно поднимается от дна воды до определенной глубины и переходит в режим крейсерского плавания на этой глубине (6A,ii и 6B). Глубину крейсерского плавания можно уменьшить, еще больше уменьшив f, например, f = 1.11 Гц (6A,iii и 6B). Траектория плавания на 6B показывает, что при уменьшении f угол восхождения (приблизительно наклон) также уменьшается и приближается к нулю при f = 1 Гц. При f = 1 Гц он переходит в устойчивый режим плавания, похожий на ползание, на дне воды, несмотря на взаимодействие между его машущими крыльями и поверхностью дна (6A,iv и 6B).
Изменение его горизонтальной дистанции плавания с течением времени показано на 6C. Подобно плаванию по поверхности на 3D, средняя скорость плавания под водой (наклон на 6C) увеличивается с ростом f из-за увеличения тяги и подъемной силы при более высоком f. Стоит отметить, что при фиксированном f увеличение добавленного веса имеет тот же эффект, что и уменьшение f при фиксированном весе в режимах мультимодального плавания.
Видео №9
Далее ученые изучили грузоподъемность робота во время плавания. На 6D показано, что при высоком f = 1.43 Гц, даже при переносе полезной нагрузки собственного веса (~2.2 г) мягкий пловец все еще может быстро плыть и подниматься со дна на поверхность воды (видео №9).
Изображение №7
Оснащенный возможностью мультимодальных режимов плавания на поверхности и под водой на разных глубинах, мягкий пловец может потенциально перемещаться по более сложным неструктурированным подводным средам с препятствиями, просто настраивая частоту срабатывания одного входа. Чтобы протестировать это, ученые разработали простую вертикальную подводную полосу препятствий, которая состоит из двух плавающих параллельных пенопластовых пластин в качестве препятствий сверху и одной металлической пластины в качестве препятствия снизу (7A,i).
Видео №10
Это показывает, что, настраивая f, начиная со дна воды, мягкий пловец может искусно маневрировать, чтобы сначала подняться на относительно более высокой f (например, f = 1.43 Гц), опуститься, уменьшив f (например, f = 1 Гц), а затем снова подняться, увеличив f (например, f = 1.43 Гц), чтобы эффективно уклоняться от препятствий и без столкновений перемещаться по простой полосе препятствий по траектории плавания в форме буквы S (видео №10).
Маневр подъема и спуска мягкого пловца достигается за счет балансировки трех вертикальных сил: веса, плавучести и подъемной силы. Вес остается постоянным во время маневра. Плавучесть увеличивается, когда крыло переключается из-за надувания пневматической камеры (3A). Подъемная сила также увеличивается во время движения переключения, поскольку отклоняющаяся вниз струя сильнее, чем отклоняющаяся вверх (5C и 5F). Эта разница в силе струи предположительно приводит к положительной частотно-зависимой подъемной силе. Следовательно, контролируемый вертикальный маневр может быть достигнут путем настройки частоты срабатывания. На 7B показан соответствующий угол траектории во время маневра. При f = 1.43 Гц сумма плавучести и подъемной силы превышает вес тела, и пловец испытывает положительную вертикальную силу, что приводит к его подъему (0 с < t < 5 с). Снижая частоту до f = 1 Гц, можно уменьшить общую подъемную силу пловца, и пловец начинает опускаться под действием силы тяжести (5 с < t < 11 с). Наконец, повторное увеличение частоты до 1.43 Гц приводит к еще одному подъему (t > 11 с).
Хотя мягкий пловец очень маневренный, столкновения все еще неизбежны на практике. Далее ученые более подробно изучили его устойчивость к столкновениям с препятствиями во время навигации по простой полосе препятствий. Чтобы столкновения происходили, ученые намеренно настраивали разные частоты срабатывания для столкновения с препятствиями на разных этапах спуска или подъема. Например, на 7A,ii показан сценарий, в котором спускающийся мягкий пловец сталкивается с препятствием справа при относительно низкой частоте f = 0.67 Гц. Наблюдалось, что столкновение заставляет мягкого пловца на мгновение вертикально тонуть из-за вызванного взаимодействием уменьшения его подъемной силы. Извлекая выгоду из таких взаимодействий пловца с препятствием, он может снизить свое положение, чтобы избежать препятствия. Когда мягкий пловец сталкивается с препятствием во время своей восходящей стадии (7A,iii), было обнаружено, что он может продолжать подниматься, несмотря на столкновение, посредством множественных взаимодействий пловца с препятствием, чтобы пересечь препятствие.
Видео №11
В дополнение к высокой устойчивости к столкновениям при плавании мягкий пловец также демонстрирует высокую устойчивость при плавании под воздействием внешних возмущений. В качестве доказательства концепции ученые ввели турбулентность, просто перемешивая воду с помощью пластикового стержня, чтобы нарушить поток вокруг и позади мягкого пловца во время плавания. Было установлено, что даже после кратковременного погружения при ударе о стенку мягкий пловец может эффективно всплыть и быстро возобновить плавание на поверхности после нескольких гребков (видео №11).
Изображение №8
В заключение, ученые рассмотрели концептуальную конструкцию беспроводного моностабильного мягкого пловца с машущими крыльями благодаря его упрощенному одновходовому приведению в действие. На 8A показаны схемы конструкции, где пенопластовый груз, содержащий печатную плату, батарею и воздушный насос, интегрирован на борту позади мягкого пловца (8B). Напряжение 12 В подается для питания воздушного насоса, чтобы привести в действие мягкого пловца. На вставке показан выходной управляющий сигнал от схемы управления. Для повышения эффективности работы ученые немного увеличили размеры пневматического мягкого изгибающего привода, длину размаха крыльев и ширину ленты. Увеличенный размер также снижает частоту срабатывания до 0.77 Гц из-за более длительного времени надувания и сдувания.
Видео №12
На 8C показаны покадровые оптические изображения мягкого пловца во время его плавания в открытом естественном пруду (видео №12). Соответствующая траектория его плавания (в плоскости XY) показана на 8D. Несмотря на возмущение ветра и водных течений, мягкий пловец демонстрирует хорошую устойчивость и ловкость в естественной среде. Он может проплыть расстояние более 1 м за короткий промежуток времени (~30 с), достигая относительной скорости плавания U = 1.18 BL/s при f = 0.77 Гц с низким CoT 12.9. Подобно его проводной версии, U монотонно увеличивается с f (8E), в то время как CoT уменьшается с f (8F). При увеличении f от 0.5 до 1 Гц среднее значение U увеличивается с 0.82 до 1.35 BL/s, в то время как среднее значение CoT уменьшается с 18.6 до 11.1. По сравнению с проводной версией данный пловец демонстрирует как заметно сниженную скорость, так и CoT из-за своей встроенной конструкции. Самая высокая средняя скорость (U = 1.35 BL/s при f = 1 Гц) превосходит большинство беспроводных мягких плавающих роботов, как показано на 1D.
Между тем, его соответствующее CoT (CoT = 11.1) намного ниже, чем у других электрических мягких пловцов на основе диэлектрического эластомера (CoT = 339.7) и гидравлически усиленных самовосстанавливающихся электростатических приводов (CoT = 15.9), которые требуют дорогостоящих высоковольтных источников питания. Это демонстрирует преимущество энергоэффективной конструкции с моностабильностью в пневматических мягких плавательных средствах, работающих от недорогих воздушных насосов.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые создали и протестировали мягкого плавающего робота, имитирующего манту. В прошлом ученые уже создавали подобного робота, чья скорость плавания достигала 3.74 длины тела в секунду, но нынешняя версия намного лучше как в плане энергоэффективности, так и плавательных возможностей.
Созданный робот оснащен плавниками, как у скатов мант, из материала, которые остается стабилен, когда плавники широко расправлены. Плавники прикреплены к гибкому корпусу из силикона с камерой, куда накачивается воздух. Во время накачки воздуха в эту камеру плавники сгибаются, а во время сдувания воздуха возвращаются в исходное положение. Это создает эффект взмахов плавников скатов.
Во время разработки робота учитывалась динамика жидкости во время плавания мант. Когда манта плывет, она создает две струи воды, движущие ее вперед. Во время опытов было установлено, что нисходящая струя, создаваемая роботом, мощнее, чем восходящая струя. Во время быстрого движения плавниками робот мог подниматься ближе к поверхности воды и наоборот. Следовательно, контролируя исключительно частоту срабатывания взмахов можно было контролировать глубину погружения робота, тем самым настраивая его вертикальную траекторию.
Разработанный мягкий плавающий робот также мог преодолевать препятствия, что было подтверждено опытами. Это особенность также основана на обычном изменении частоты срабатывания плавников. Даже при столкновении с препятствием, что вызывалось намеренно посредством специальной настройки частоты, робот мог «обойти» его либо сверху, либо снизу и продолжить движение. Мягкая же конструкция робота позволяла минимизировать какие-либо потенциальные повреждения ввиду столкновения.
Ученые намерены продолжить свою работу, так как робота еще стоит оснастить боковым движением. Также они намерены изучить альтернативные режимы активации.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
