前沿科技|新型仿生软体水下行走机器人

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水生生物借助流体特性(例如:浮力,升力,拖拽力)在水下快速移动,受到这点启发,加利福尼亚大学(University of California)的研究者提出了一种新型的仿生软体水下行走机器人。通过监测水流方向,该机器人改变身体形状来借助水流的流体特性产生比较大的拖拽力,极大的提升它在水底行走的运动性能。

可变形体水下机器人。

水下机器人可以用来监测和探测水下环境,观察水下生物。传统的水下机器人由螺旋桨或喷气驱动,在开阔水域具有很高的应用价值。然而,与水下生物相比,这些机器人体积庞大且伴有噪音,在空的狭小空间内很难前进。相比之下,仿生学设计的水下机器人(如软体水下机器人)可以产生相对较小的噪声,适应不同的水下环境。

水生生物(章鱼、海龙)借助流体特性(如浮力、升力和阻力)在水下快速移动。受此启发,美国加州大学的研究人员提出了一种新型仿生软体水下行走机器人。通过监测水流方向,机器人可以改变体型产生较大的拖曳力或减小水流带来的阻力,从而大大提高其水下行走和真正随波逐流的性能。

行走的章鱼。

研究人员设计的水下机器人。

具体来说,当水下机器人(水下重量:2.87N)需要在水流中保持静止时,非对称膨胀体可以将水流范围内对物体的阻挡力降低40%(从0.52 N到0.31 N)。当机器人沿着水流行走时,充气的身体比扁平的身体快16%。

 

机器人的结构设计。

该机器人基于气动/液压软件驱动技术。下图为机器人的结构设计。可变形主体和四条腿安装在刚性支架上。支腿采用3d打印弹性材料,每个支腿有三个空腔,以控制不同方向的弯曲。机器人的身体变形部分由两个充气袋组成。机器人的腿部连接传统的气泵,气泵由电磁阀控制,机器人的身体连接注射泵。

机器人的结构设计。

机器人驱动设计。

当我们给机器人变形体的气囊充气/放气时,机器人的身体有三种状态:对称充气体、单侧充气体和平坦体。根据流体力学的基本知识,水流对在水中运动的物体的拖曳力/阻力与物体本身的形状直接相关,因此机器人可以通过调整身体的形状来实现利用水流前进的目的。

机器人身体变形的三种状态。

 

实验检测

研究人员指出,改变机器人身体的形状可以显著影响水动力。下图显示了水流的方向(向右)。理论上,在平面状态下,水对机器人的拖曳力最小,在对称扩张状态下,拖曳力最大。同时,机器人前侧充气时,水对机器人的升力最大,后侧充气时,升力最小。

不同体型带来的拖拽效果。

研究人员设计了一个简单的水箱,然后产生流向机器人的水流。利用两台测速仪监测机器人前后的水流速度和机器人自身的运动速度,从而验证其设计的有效性。

实验装置

水流过对称形体的图像。

水流不对称膨胀的身体图像。

机器人在静水中的行走速度为15毫米/秒,由于行走速度太慢,不同体型对水阻力的影响不明显。当机器人沿着水流方向行走时,身体变形对行走速度的影响变得非常显著。机器人在平坦状态下以最慢的速度行走,在对称扩张状态下阻力最大,速度最快,在非对称扩张状态下速度适中。

研究人员还为机器人增加了一个水流传感器,可以让它感知水流方向,从而改变身体形状,更好地适应当前的水流。如下图所示,机器人的初始形状是沿水流方向不对称膨胀。当机器人监测到水流速度超过一定阈值时,机器人开始向后滑动。然后机器人将其身体调整为扁平,从而减少水流的作用并停止滑动。实验证明,该机器人能够有效地调整身体,以适应不同流速和方向的变化。

面对水流,机器人调整自己的身体。

逆着水流,当机器人的身体膨胀时,它不能行走。

沿着水流,机器人可以平着身体行走。

总结

研究人员通过初步实验证实了他们的想法是切实有效的。虽然机器人的结构还比较简单,处于概念阶段,但可以看出它具有很高的潜在应用价值,包括帮助水下机器人在水流中保持稳定或辅助行走。这个概念也可以移动到其他水下机器人系统中,一些连续的表面可以由软件驱动程序形成,与水流相互作用。在未来的研究中,研究人员计划建立更精确的模型,并增加更多的反馈控制,以制造更可靠的水下机器人系统。

这个想法通过改变机器人的身体形状来适应水流,或者利用水流,真的很新颖有效。研究人员通过观察生物对环境的适应性,结合专业知识,为各种机器人提供各种设计方案。边肖认为这项研究是仿生学和实际应用巧妙结合的一个例子。希望这篇报道能对同样对生活中各种事物充满好奇的你有所启发!

出发地:机器人讲堂。

文章信息:

石田,医学博士,德罗特曼,施,医学博士,赫尔墨斯,医学博士,鲁哈尔,医学博士和托里,医学博士(2019年)。改变软体水下步行机器人水动力特性的变形结构。IEEE机器人和自动化快报。

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