Ryba robota

Ryba robota Jessiko na pawilonie francuskim na wystawie Yeosu 2012 World Expo

Robot -ryba to rodzaj bionicznego robota, który ma kształt i sposób poruszania się żywej ryby. Odkąd Massachusetts Institute of Technology po raz pierwszy opublikował badania na ich temat w 1989 roku, opublikowano ponad 400 artykułów na temat ryb-robotów. Według tych raportów zbudowano około 40 różnych rodzajów robotów-ryb, z których 30 miało jedynie zdolność obracania się i dryfowania w wodzie. Większość ryb robotów jest zaprojektowana do naśladowania żywych ryb, które wykorzystują napęd płetwy ogonowej (BCF). . Ryby-roboty BCF można podzielić na trzy kategorie: Single Joint (SJ), Multi-Joint (MJ) i inteligentne projektowanie oparte na materiałach. Najważniejszymi elementami badań i rozwoju ryb robotów są postępy w ich kontroli i nawigacji, umożliwienie im „komunikowania się” z otoczeniem, umożliwienie im podróżowania po określonej ścieżce oraz reagowanie na polecenia w celu ułożenia „płetw” klapka.

Projekt

Podstawowa biomimetyczna ryba-robot składa się z trzech części: opływowej głowy, tułowia i ogona.

• Głowica jest często wykonana ze sztywnego tworzywa sztucznego (np. włókna szklanego ) i zawiera wszystkie jednostki sterujące, w tym moduł komunikacji bezprzewodowej, baterie i procesor sygnału.
• Korpus może składać się z wielu segmentów połączonych przegubami, które są połączone serwomotorami . Serwomotory kontrolują kąt obrotu przegubu. Niektóre projekty mają płetwy piersiowe zamocowane po obu stronach ciała, aby zapewnić stabilność w wodzie
• Oscylująca płetwa ogonowa (ogonowa) połączona stawami i napędzana silnikiem zapewnia siłę napędową .

Inspiracja projektowa

Lokomocja węgorzy i ryb

Inżynierowie często skupiają się na funkcjonalnym projekcie. Na przykład projektanci próbują stworzyć roboty o elastycznych ciałach (jak prawdziwe ryby), które mogą wykazywać ruch falisty. Ten rodzaj ciała umożliwia rybie-robotowi pływanie w sposób podobny do tego, w jaki pływają żywe ryby, które mogą przystosować się i przetwarzać skomplikowane środowisko. Pierwsza ryba-robot (RoboTuna firmy MIT) została zaprojektowana tak, aby naśladować strukturę i właściwości dynamiczne tuńczyka. Próbując uzyskać siły ciągu i manewrowania, zrobotyzowane systemy kontroli ryb są w stanie kontrolować ciało i płetwę ogonową, nadając im ruch przypominający falę.

Aby kontrolować i analizować ruchy ryb robotów, naukowcy badają kształt, model dynamiczny i ruchy poprzeczne ogona robota. Jednym z wielu kształtów ogona znalezionych u ryb-robotów jest półksiężyc lub półksiężyc. Niektóre badania pokazują, że ten rodzaj kształtu ogona zwiększa prędkość pływania i tworzy rybę-robota o wysokiej wydajności.

Tylny ogon wytwarza siłę ciągu, co czyni go jedną z najważniejszych części ryby-robota. Żywe ryby mają potężne mięśnie, które mogą generować ruchy boczne w celu poruszania się, podczas gdy głowa pozostaje we względnie nieruchomym stanie. W związku z tym naukowcy skupili się na kinematyce ogona podczas opracowywania ruchu ryb-robotów.

Teoria smukłego ciała jest często stosowana podczas badania lokomocji ryb-robotów. Średnia szybkość pracy ruchów poprzecznych jest równa sumie średniej szybkości pracy dostępnej dla wytworzenia średniego ciągu i szybkości utraty energii kinetycznej ruchów płynu poprzecznego. Średni ciąg można obliczyć całkowicie na podstawie wyporności i prędkości pływania na krawędzi spływu płetwy ogonowej. Ta prosta formuła jest używana do obliczania ruchu zarówno robota, jak i żywej ryby.

Realistyczne układy napędowe mogą pomóc w ulepszeniu autonomicznego manewrowania i wykazaniu wyższego poziomu sprawności lokomocyjnej. Aby osiągnąć ten cel, do stworzenia ryb-robotów można wykorzystać różnorodne opcje płetw. Włączając płetwy piersiowe, ryby-roboty mogą wykonywać wektory siły i wykonywać złożone zachowania pływackie zamiast pływania tylko do przodu.

Kontrola

Wielostawowa rybka-robot

Kształty i rozmiary płetw różnią się drastycznie u żywych ryb, ale wszystkie pomagają osiągnąć wysoki poziom napędu w wodzie. Aby ryby-roboty mogły osiągnąć ten sam rodzaj szybkiego i zwrotnego napędu, ryby-roboty potrzebują wielu powierzchni kontrolnych. Wydajność napędowa jest związana z położeniem, mobilnością i właściwościami hydrodynamicznymi powierzchni sterowych.

Kluczem do kontrolowania wielostawowej roboty-ryby jest stworzenie uproszczonego mechanizmu, który jest w stanie zapewnić rozsądną kontrolę. Projektanci powinni wziąć pod uwagę kilka ważnych czynników, w tym boczne ruchy ciała, dane kinematyczne i dane anatomiczne. Kiedy projektanci naśladują rybę-robota typu BCF, oparta na łączach fala ciała ryby-robota musi zapewniać ruchy podobne do ruchów żywej ryby. Ten rodzaj kontroli pływania opartej na falach ciała powinien być dyskretny i sparametryzowany dla określonego chodu pływackiego. Zapewnienie stabilności chodu podczas pływania może być trudne, a płynne przejście między dwoma różnymi chodami może być trudne w przypadku ryb-robotów.

Centralny system neuronowy znany jako „ Central Pattern Generator ” (CPG) może zarządzać wielolinkowym robotem poruszającym się rybami. CPG znajduje się w każdym segmencie i może łączyć i stymulować kurczenie lub rozciąganie mięśni. Mózg, najbardziej wysunięta do przodu część mózgu u kręgowców, może kontrolować sygnały wejściowe do uruchamiania, zatrzymywania i obracania. Po tym, jak systemy utworzą stałą lokomocję, sygnał z mózgu zatrzymuje się, a CPG mogą wytwarzać i modulować wzorce lokomocji.

Podobnie jak ich rola w żywych rybach, sieci neuronowe są wykorzystywane do sterowania rybami-robotami. Istnieje kilka kluczowych punktów w projektowaniu bionicznych sieci neuronowych. Po pierwsze, bioniczne śmigło przyjmuje jeden serwomotor do napędzania stawu, podczas gdy ryba ma dwie grupy mięśni w każdym stawie. Projektanci mogą zaimplementować jeden CPG w każdym segmencie, aby sterować odpowiednim złączem. Po drugie, dyskretny model obliczeniowy stymuluje ciągłe tkanki biologiczne. Wreszcie, czas opóźnienia połączenia między neuronami określa międzysegmentowe opóźnienie fazowe. Funkcja czasu opóźnienia w modelu obliczeniowym jest konieczna.

Używa

Badanie zachowania ryb

Osiągnięcie spójnej odpowiedzi jest wyzwaniem w badaniach behawioralnych zwierząt , gdy żywe bodźce są wykorzystywane jako zmienne niezależne. Aby sprostać temu wyzwaniu, roboty mogą być wykorzystywane jako spójne bodźce do testowania hipotez, przy jednoczesnym unikaniu szkolenia i wykorzystywania dużych zwierząt. Sterowane maszyny mogą „wyglądać, brzmieć, a nawet pachnieć” jak zwierzęta. Możemy uzyskać lepsze postrzeganie zachowania zwierząt, zwracając się do wykorzystania robotów zamiast żywych zwierząt, ponieważ roboty mogą wywoływać stałą reakcję w zestawie powtarzalnych działań. Ponadto, dzięki różnym rozmieszczeniom w terenie i większemu stopniowi niezależności, roboty dają nadzieję na pomoc w badaniach behawioralnych w środowisku naturalnym.

Zabawki

Prosta ryba-robot składająca się z elastycznego, lepkosprężystego ciała

Zabawkowe ryby-roboty to najpopularniejsze zabawki-roboty na rynku. są najczęściej używane do rozrywki, chociaż niektóre są wykorzystywane do badań. Konstrukcja tych zabawek jest prosta i niedroga. Zazwyczaj dzieli się je na dwie kategorie: automatyczne ryby-roboty wycieczkowe i ryby-roboty o kontrolowanym ruchu. Najprostsze składają się z miękkiego korpusu (MJ), silnika (ogon) i głowy (podstawowy elektryczny element sterujący). Wykorzystują akumulator do dostarczania energii do silnika w celu wytworzenia ruchu i wykorzystują systemy zdalnego sterowania, aby uzyskać moc kierowania. W przeciwieństwie do tego, złożoność zabawek i ryb-robotów do celów badawczych jest prawie taka sama. Są nie tylko w pełni zautomatyzowane, ale mogą symulować zachowanie ryb. Na przykład, jeśli umieścisz obcy przedmiot w wodzie razem z rybą-robotem, wytworzy on ruch podobny do ruchu prawdziwej ryby. Odsunie się od obcego obiektu, a prędkość pływania wzrośnie. Wykazuje stan szoku i dezorientacji wobec obcego obiektu, podobnie jak prawdziwa ryba. Ryby-roboty z wyprzedzeniem rejestrują tego typu zachowanie.

Aplikacja na AUV

Obrona wojskowa i ochrona morska budzą coraz większe zainteresowanie w dziedzinie badań. W miarę jak misje stają się coraz bardziej skomplikowane, niezbędne stają się wysokowydajne autonomiczne pojazdy podwodne (AUV). AUV wymagają szybkiego napędu i zwrotności w wielu kierunkach. Ryby-roboty są bardziej kompetentne niż obecne AUV napędzane ruchem, ponieważ ryba jest paradygmatem AUV inspirowanych biologią. Podobnie jak żywe ryby, roboty-ryby mogą działać w złożonych środowiskach. Mogą nie tylko przeprowadzać podwodne eksploracje i odkrywać nowe gatunki, ale mogą także ratować i zakładać podwodne obiekty. Podczas pracy w niebezpiecznych środowiskach ryby-roboty wykazują wyższą wydajność w porównaniu z innymi maszynami. Na przykład w strefie koralowej miękkie roboty-ryby lepiej radzą sobie ze środowiskiem. W przeciwieństwie do istniejących AUV, które nie są elastyczne, roboty-ryby mogą dostać się do wąskich jaskiń i tuneli.

Edukacja

Oprócz ogromnego potencjału badawczego roboty-ryby oferują również wiele możliwości zaangażowania studentów i ogółu społeczeństwa. Roboty inspirowane biologią są wartościowe i skuteczne i mogą przyciągać uczniów do różnych dziedzin nauki, technologii, inżynierii i matematyki. Zrobotyzowane ryby były wykorzystywane jako pomocnicze narzędzia edukacyjne na całym świecie. Na przykład, podczas niedawnej wystawy w London Aquarium, roboty karpiowate przyciągnęły tysiące młodych ludzi. Naukowcy i inni badacze prezentowali różne rodzaje ryb-robotów podczas wielu programów informacyjnych, w tym pierwszego i drugiego Festiwalu Nauki i Inżynierii USA, odpowiednio w 2010 i 2012 roku. Podczas tych wydarzeń odwiedzający mieli okazję nie tylko zobaczyć zrobotyzowaną rybę w akcji, ale także wejść w interakcję z członkami laboratorium, aby zrozumieć technologię i jej zastosowania.

Przykłady

„Charlie”, automatyczny sum zbudowany przez CIA

• W latach 90. Biuro Zaawansowanych Technologii CIA zbudowało zrobotyzowanego suma o imieniu „Charlie” w ramach badania wykonalności bezzałogowych pojazdów podwodnych . Robot został zaprojektowany do zbierania podwodnych danych wywiadowczych i próbek wody, pozostając niewykrytym, i był kontrolowany przez bezprzewodowy radiotelefon w zasięgu wzroku.
• RoboTuna to robot-ryba o kształcie i funkcji prawdziwego tuńczyka, który został zaprojektowany i zbudowany przez zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) . Posiada skomplikowany system linek i krążków ze stali nierdzewnej, które działają jak mięśnie i ścięgna. Korpus zewnętrzny składa się z elastycznej warstwy pianki pokrytej Lycrą, elastycznym włóknem poliuretanowym, naśladującym elastyczność i gładkość skóry tuńczyka. Jest sterowany przez sześć potężnych serwomotorów o mocy dwóch koni mechanicznych każdy. Może dostosowywać swoje ruchy w czasie rzeczywistym dzięki czujnikom siły umieszczonym z boku żeber, które dostarczają robotowi ciągłe informacje zwrotne.
• Robot Pike to pierwsza na świecie swobodnie pływająca ryba-robot zaprojektowana i zbudowana przez zespół naukowców z MIT. Jest kontrolowany przez interwencję człowieka. Złożony system komputerowy interpretuje polecenia i zwraca sygnały do ​​każdego silnika w rybie-robocie. Ma skórę złożoną z gumy silikonowej i sprężynowy egzoszkielet z włókna szklanego, który sprawia, że ​​robot-ryba jest elastyczny. Może przyspieszać w wodzie z prędkością od ośmiu do dwunastu m/s, ale nie może omijać przeszkód, ponieważ nie jest wyposażony w czujniki.
• Essex Robotic Fish został zbudowany przez naukowców z Essex University. Może pływać autonomicznie jak prawdziwa ryba i osiągać różne rodzaje wyporności. Posiada cztery komputery, pięć silników i kilkanaście czujników umieszczonych w różnych miejscach na ciele. Potrafi pływać wokół zbiornika i unikać przedmiotów, a także przystosowywać się do niepewnych i nieprzewidywalnych bodźców w swoim otoczeniu. Ma mieć szeroki zakres zastosowań, w tym badanie dna morskiego, wykrywanie wycieków w rurociągach naftowych, badanie życia morskiego i szpiegostwo.
• Jessiko to podwodny robot stworzony przez francuską firmę Robotswim. Ma tylko 22 cm długości, co czyni go jedną z najmniejszych robotycznych ryb na świecie. Jest bardzo łatwy w sterowaniu, może podróżować do tyłu, zmieniać kolory i naśladować zachowanie żywej ryby. Dzięki tym funkcjom może dzielić się emocjami, a nawet wchodzić w interakcje z ludźmi. Wykazuje sztuczną inteligencję i potencjalne zastosowania komunikacyjne, dając mu możliwość pływania z ponad dziesięcioma rybami w celu tworzenia ekscytujących choreografii i efektów świetlnych, używając płetw do poruszania się po wodzie. Wykazano, że mały robot-ryba może pływać autonomicznie przez wiele godzin.
• Robotic Fish SPC-03 został zaprojektowany przez Chińską Akademię Nauk (CASIA). Potrafi pływać w wodzie na odległość 1,23 metra od kontrolującego źródła. Jest stabilny, ma cząstkową konstrukcję i jest zdalnie sterowany przez techników. Może pracować w zanurzeniu od 2 do 3 godzin z maksymalną prędkością 4 km/h. Ryby potrafią robić zdjęcia i przesyłać je, wykonywać kartografię podwodnych funduszy oraz przenosić drobne przedmioty.
• Robotic Koi został zaprojektowany i opracowany przez Ryomei Engineering z Hiroszimy w Japonii. Ma 80 centymetrów, waży 12 kg i jest zdalnie sterowany. Robotic Koi może być używany do badania stężenia tlenu w wodzie za pomocą czujników umieszczonych na jego pysku. Może zbierać informacje o innych gatunkach w swoim środowisku, pływając wśród nich i informując o stanie zdrowia ryb. Wyposażony w kamerę może rejestrować zasoby obecne w toni wodnej. Może być również używany do badania uszkodzeń mostów i platform wiertniczych pod wodą.

Robotyczna ryba: iSplash -II

• W 2014 r. iSplash -II został opracowany przez doktoranta Richarda Jamesa Claphama i prof. Huosheng Hu z Essex University. Była to pierwsza zrobotyzowana ryba, która była w stanie przewyższyć prawdziwą rybę karaniopodobną, rybę, która nieznacznie porusza głową, ale buduje znaczną amplitudę ruchu w kierunku ogona, jeśli chodzi o średnią prędkość maksymalną (mierzoną w długości ciała na sekundę) i wytrzymałość. iSplash -II osiągnął prędkość pływania 11,6 BL/s (tj. 3,7 m/s). Pierwsza wersja, iSplash -I (2014) była pierwszą platformą robotyczną, w której zastosowano carangiform na całej długości ciała ruch pływacki, który, jak stwierdzono, zwiększa prędkość pływania o 27% w porównaniu z tradycyjnym podejściem z tylnym ograniczonym kształtem fali.