Robotmaneter kan hjelpe service offshore vindparker
Roboten vår er inspirert av vanlig manet. Willyam Bradberry / Shutterstock 

Noen av de siste områdene med uberørt og uberørt villmark på jorden eksisterer under havet. Likevel er disse marine økosystemene truet av havbyproduksjon, oljerigger og vindparker til havs. Når disse anleggene bygges og vedlikeholdes, har de en tendens til å skade de rike økologiske nettverkene rundt dem.

Robotikere og ingeniører jobber for å løse dette problemet, og søker etter nye måter å lage maskiner som kan hjelpe til med å reparere, vedlikeholde eller inspisere de undersjøiske komponentene i den voksende offshoreindustrien. Ledet av kollegene Thierry Bujard og Gabriel Weymouth fra University of Southampton, har teamet mitt det fant en løsning til dette problemet, ved å designe undervannsroboter inspirert av naturens smarteste svømmere: den ultraeffektive månemaneten.

Tradisjonelle vannroboter er designet for to hovedformål: for effektive, langdistanse navigasjon over åpne vannstrekninger, og for oppgaver som krever høy manøvrerbarhet nær nedsenkede strukturer. Begge typer robot er effektive, men få roboter kombinerer effektiv reise med høy manøvrerbarhet. Det betyr at de fleste vannroboter er for klønete og klumpete til å støtte offshoreindustrien uten å skade det undersjøiske miljøet.

Faktisk, med utvidelsen av offshore-utviklingen til stadig mer skjøre miljøer, sliter til og med toppmoderne marine roboter for å takle kompleksiteten i deres oppdrag. Mye forskning går for tiden på å utvikle autonome dyphavsroboter, med initiativer som Xprize tilby finansiering til noen av de mest spennende ideene.


innerself abonnere grafikk


Marine maskiner

For å svare på disse utfordringene har ingeniører sett på biologi for å inspirere til nye former for robot undervannsdrift. Etter millioner av år med evolusjon, går logikken, akvatiske skapninger bør tilby modeller for å løse svakhetene ved den nåværende avlingen av undervannsroboter.

Svømmemodusen til fisk, basert på flapping av deres forskjellige finner, har blitt den primære inspirasjonskilden for dem eksperimentere med nye undervannsbiler. Men pulse-jet svømmemodus som favoriseres av maneter, er allment ansett som verdens mest effektive fremdriftsmekanisme under vann, og tilbyr en mer overbevisende teknologisk løsning som er langt lettere for roboter å etterligne.

Pulse-jetting er avhengig av den sykliske utvidelsen og sammentrekningen av et hulrom i prøvelegemet. Dette systemet driver inntak og utvisning av vann, som til slutt gir maneter en form for fremdrift.

Til tross for sin enkelhet, kan denne svømmestrategien resultere i utrolig smidighet i tillegg til å være svært energieffektiv. Den raskeste blekkspruten kan reise opp til 8 meter per sekund ved hjelp av et pulsstrålesystem, mens maneten Aurelia aurita (også kjent som månemaneten) er kjent for å være den mest effektive svømmeren på planeten.

Ved å kopiere disse organismene når vi bygger undervannsroboter, kan vi designe nye undervannsbiler som er i stand til å kombinere høy manøvreringsevne med uovertruffen effektivitet. I vår nyere forskning, Vi utviklet en ny bioinspirert robot som kan matche fremdriftseffektiviteten til Aurelia aurita. For å gjøre dette etterlignet vi nøkkelprinsippet som gjør at maneter kan oppnå sin høye fremdriftseffektivitet: resonans.

Aurelia aurita eller månemanetAurelia aurita eller månemanet blir sett på som den mest effektive svømmeren på jorden. Richard A McMillin / Shutterstock

Resonant robotikk

Resonans er et fysisk fenomen som ofte forekommer i mange hverdagsaktiviteter som å gå, spille på en sving og til og med å synge. Hvis vi for eksempel ser på en svingende pendel, vet vi av erfaring at den vil fortsette å svinge til den hviler, hengende i vertikal stilling som bestemt av tyngdekraften. Frekvensen som pendelen svinger med blir referert til som sin “naturlige frekvens”.

Erfaringsmessig vet vi også at hvis vi ønsker å holde pendelen svingende, er den enkleste måten å gjøre dette på å gi den en nyttig dytte hver gang den når det høyeste punktet i svingningen, akkurat som vi gjør når vi skyver et barn høyere på en sving. Når vi gjør dette, lar vi pendelen eller svingen “resonere”.

Så resonans oppstår når en ekstern kraft påvirker et system ved sin naturlige frekvens, noe som får systemet til å oppnå større amplitudesvingninger med en brøkdel av kraften som trengs. Det er det som gjør drift av resonans så effektiv. Vi brukte det samme prinsippet på fremdriften til vår manetinspirerte robot.

Vi antok at ved å designe en robotmanet med et elastisk fremdriftssystem, kunne vi utnytte den iboende naturlige frekvensen til elastikken for å drive mekanismen til resonans. I resonans ville roboten vår utstede kraftige pulserende jetfly til en brøkdel av energikostnaden.

Roboten vi utviklet har et elastisk indre kammer som utvides og kollapser under effekten av en paraplylignende mekanisme. Når den ble testet i en vanntank, ble det funnet at roboten økte svømmehastigheten da hastigheten den pulserte nærmet seg den naturlige frekvensen til robotmanetens elastiske kammer. Det beviste at robotmanetene våre hadde oppnådd resonans.

Effektiviteten til et system som driver seg selv, det være seg mekanisk eller biologisk, er basert på en ligning som kombinerer den absorberte kraften, systemets hastighet og dens masse. Når den ble brukt på roboten vår, satte den ligningen vår robotmanet på nivå med Aurelia aurita manet.

Dette er et slående resultat med dobbelt innvirkning. På den ene siden viser det for første gang at et mekanisk system kan oppnå fremdriftseffektiviteten til de beste av naturens svømmere. På den annen side har roboten vår forklart den fremragende svømmingen til sine biologiske kolleger - som nå kan hjelpe biologer tilbake til studien av maneter og blekksprut med et helt nytt perspektiv.

Drevet av et system inspirert av de mest effektive av naturens svømmere, gir vår robotmanet en prototype av en dynamisk og effektiv undervannsrobot, som havvindindustrien en dag kan bruke til å vedlikeholde de delene av infrastrukturen som ligger under bølgene.

Om forfatterne

Francesco Giorgio-Serchi, kanslerstipendiat i robotikk og autonome systemer, University of Edinburgh

Denne artikkelen ble oppdatert 24. februar 2021 for å kreditere teamet fra University of Southampton som også jobbet med denne forskningen.Den Conversation

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

Relaterte bøker

Drawdown: Den mest omfattende planen som noen gang har foreslått å reversere global oppvarming

av Paul Hawken og Tom Steyer
9780143130444I møte med utbredt frykt og apati har en internasjonal koalisjon av forskere, fagfolk og forskere kommet sammen for å tilby et sett av realistiske og dristige løsninger på klimaendringer. Et hundre teknikker og praksis er beskrevet her-noen er velkjente; noe du kanskje aldri har hørt om. De spenner fra ren energi til å utdanne jenter i lavinntektsland til landbrukspraksis som trekker karbon ut av luften. Løsningene eksisterer, er økonomisk levedyktige, og samfunn over hele verden for tiden anvender dem med dyktighet og besluttsomhet. Tilgjengelig på Amazon

Utforming av klimaproblemer: En retningslinje for lavkol Energi

av Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
1610919564Med effekten av klimaendringene som allerede er over oss, er behovet for å kutte globale klimagassutslipp intet mindre enn presserende. Det er en skremmende utfordring, men teknologiene og strategiene for å møte den eksisterer i dag. Et lite sett med energipolitikk, designet og implementert godt, kan sette oss på veien mot en fremtid med lite karbon. Energisystemer er store og komplekse, så energipolitikken må være fokusert og kostnadseffektiv. En-størrelse-passer-alle-tilnærminger vil ganske enkelt ikke få jobben gjort. Politiske beslutningstakere trenger en klar, omfattende ressurs som skisserer energipolitikken som vil ha størst innvirkning på klimafremtiden vår, og beskriver hvordan vi kan utforme disse retningslinjene. Tilgjengelig på Amazon

Dette forandrer alt: kapitalisme vs klimaet

av Naomi Klein
1451697392In Dette endrer alt Naomi Klein hevder at klimaendringer ikke bare er et annet problem, som skal skjenkes nøye mellom skatt og helsevesen. Det er en alarm som kaller oss for å fikse et økonomisk system som allerede mangler oss på mange måter. Klein bygger omhyggelig saken for hvor massivt å redusere utslippene av drivhusgasser er vår beste mulighet til samtidig å redusere ulikheter i ulikhet, omdefinere våre ødelagte demokratier og gjenoppbygge våre slanke lokale økonomier. Hun avslører den ideologiske desperasjonen til klimaendringene, de rasjonelle vrangforestillinger fra de vilde geoengineers og den tragiske nederlaget av for mange grønne grenser. Og hun demonstrerer nettopp hvorfor markedet ikke har - og ikke kan løse klimakrisen, men vil i stedet gjøre ting verre, med stadig mer ekstreme og økologisk skadelige utvinningsmetoder, ledsaget av voldsomme katastrofkapitalisme. Tilgjengelig på Amazon

Fra Utgiver:
Innkjøp på Amazon går for å dekke kostnadene ved å bringe deg InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, og ClimateImpactNews.com uten kostnad og uten annonsører som sporer surfevaner. Selv om du klikker på en kobling, men ikke kjøper disse utvalgte produktene, betaler alt annet du kjøper i samme besøk på Amazon oss en liten provisjon. Det er ingen ekstra kostnader for deg, så vær så snill å bidra til innsatsen. Du kan også bruk denne lenken å bruke til Amazon når som helst slik at du kan bidra til å støtte vår innsats.