Всего два года назад крошечный робот-скат стал самым быстрым плавающим мягким роботом в мире. Теперь один из его потомков побил этот рекорд – и он потребляет меньше энергии, чем его предшественник. Оригинальный робот длиной 22,8 мм был разработан доцентом Инь Цзе и его коллегами из Университета штата Северная Каролина.
У него есть два лучеобразных гибких крыла из полиэстера, которые на самом деле являются левым и правым концами изогнутой бистабильной структуры. Бистабильность означает способность натянутой структуры оставаться в одном из двух положений, не требуя при этом никакой энергии. Шпильки являются хорошим примером бистабильной структуры.
Средняя часть бистабильной конструкции крыла робота-рыбы зажата между верхним и нижним мягким силиконовым пневматическим приводом. Когда воздух подается в верхний привод, он изгибается вверх, подтягивая среднюю часть конструкции крыла так, что она «складывается» в положение, при котором оба крыла тянутся вниз. Когда верхний привод спущен, а нижний надут, конструкция сгибается в противоположных направлениях, позволяя крылу снова направиться вверх. Видео ниже демонстрирует этот механизм.
Активируя таким образом два привода вперед и назад (с помощью внешнего воздушного насоса), крылья можно быстро взмахивать, в результате чего средняя скорость плавания составляет 3,74 длины тела в секунду. По словам ученых, это примерно в четыре раза быстрее, чем предыдущие мягкие плавающие роботы.
В новом роботе Manta длиной 68 миллиметров Инь и его команда отказались от бистабильной конструкции и нижнего привода. Теперь гибкая конструкция крыла моностабильна, а это означает, что при отсутствии приложения энергии оно всегда возвращается в одно положение — с центром, изогнутым вниз, а крыльями вверх.
При надувании одноверхний пневматический привод сгибается вниз и тянет вниз середину конструкции крыла, заставляя крыло складываться вниз. Однако, как только толкателю позволено сдуться, упругая восстанавливающая сила конструкции возвращает его в исходное положение, при этом подтягивая крыло вверх.
Таким образом, в то время как оригинальный робот тратил время и энергию на поочередное надувание/сдувание двух приводов во время каждого цикла взмахов крыльями вверх и вниз, новому роботу нужно активировать только один. Это улучшение позволяет роботу плавать со средней скоростью до 6,8 длин тела в секунду, потребляя при этом в 1,6 раза меньше энергии, чем исходный робот.
Кроме того, новая конструкция позволяет роботу перемещаться вертикально по воде, изменяя скорость плавания.
«Когда плавники робота находятся в неподвижном состоянии, воздушная камера пуста, что снижает плавучесть робота. А когда робот медленно взмахивает плавниками, плавники дольше остаются в неподвижном состоянии», — сказал Цинь Хайтао, докторант и первый автор исследования. «Другими словами, чем быстрее робот взмахивает плавниками, тем больше времени требуется для заполнения воздушной камеры и тем выше плавучесть».
В настоящее время ученые работают над тем, как маневрировать роботами в поперечном направлении, с прицелом на будущие применения, такие как исследование океана и наблюдение за водной дикой природой. Вы можете увидеть это в действии на видео ниже.
Статья об исследовании была недавно опубликована в журнале Science Advances.