Unser Roboter ist von den gewöhnlichen Mondquallen inspiriert. Willyam Bradberry / Shutterstock 

Einige der letzten Gebiete unberührter und unberührter Wildnis auf der Erde existieren unter dem Meer. Diese marinen Ökosysteme sind jedoch durch Tiefsee-Bergbauprojekte, Ölplattformen und Offshore-Windparks bedroht. Wenn diese Einrichtungen gebaut und gewartet werden, neigen sie dazu, die reichen ökologischen Netzwerke um sie herum zu beschädigen.

Roboter und Ingenieure arbeiten an der Lösung dieses Problems und suchen nach neuen Wegen, um Maschinen zu entwickeln, mit denen die Unterwasserkomponenten der wachsenden Offshore-Industrie repariert, gewartet oder inspiziert werden können. Unter der Leitung der Kollegen Thierry Bujard und Gabriel Weymouth von der University of Southampton hat mein Team eine Lösung gefunden Entwerfen Sie Unterwasserroboter, die von den klügsten Schwimmern der Natur inspiriert sind: den hocheffizienten Mondquallen.

Traditionelle Wasserroboter sind für zwei Hauptzwecke konzipiert: für effiziente, Fernnavigation über offene Wasserabschnitte und für Aufgaben, die eine hohe Manövrierfähigkeit in der Nähe von untergetauchten Strukturen erfordern. Beide Robotertypen sind effektiv, aber nur wenige Roboter kombinieren effizientes Fahren mit hoher Manövrierfähigkeit. Das bedeutet, dass die meisten Wasserroboter zu ungeschickt und klobig sind, um die Offshore-Industrie zu unterstützen, ohne auch die Unterwasserumgebung zu schädigen.

Mit der Ausweitung der Offshore-Entwicklungen auf zunehmend fragile Umgebungen haben selbst hochmoderne Schiffsroboter Schwierigkeiten, die Komplexität ihrer Missionen zu bewältigen. Derzeit wird viel geforscht, um autonome Tiefseeroboter zu entwickeln, mit Initiativen wie X-Preis Finanzierung einiger der aufregendsten Ideen.

Schiffsmaschinen

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben sich die Ingenieure mit der Biologie befasst, um neue Formen des Roboter-Unterwasserantriebs zu inspirieren. Nach Millionen von Jahren der Evolution sollten Wasserlebewesen Modelle anbieten, um die Schwächen der aktuellen Ernte von Unterwasserrobotern anzugehen.

Der Schwimmmodus von Fischen, basierend auf dem Flattern ihrer verschiedenen Flossen, ist für diese zur Hauptinspirationsquelle geworden Experimentieren mit neuen Unterwasserfahrzeugen. Der von Quallen bevorzugte Puls-Jet-Schwimmmodus wird jedoch allgemein als der effizienteste Unterwasserantriebsmechanismus der Welt angesehen und bietet eine überzeugendere technologische Lösung, die für Robotiker weitaus einfacher nachzuahmen ist.

Das Impulsstrahlen beruht auf der zyklischen Expansion und Kontraktion eines Hohlraums des Probenkörpers. Dieses System treibt die Aufnahme und den Ausstoß von Wasser an, wodurch Quallen letztendlich eine Art Antrieb erhalten.

Trotz ihrer Einfachheit kann diese Schwimmstrategie zu unglaublicher Beweglichkeit und hoher Energieeffizienz führen. Der schnellste Tintenfisch kann bis zu reisen 8 Meter pro Sekunde mit einem Puls-Jet-System, während die Quallen Aurelia aurita (auch als Mondquallen bekannt) ist bekannt der effizienteste Schwimmer der Welt.

Indem wir diese Organismen beim Bau von Unterwasserrobotern kopieren, können wir neue Unterwasserfahrzeuge entwickeln, die hohe Manövrierfähigkeit mit unerreichter Effizienz kombinieren können. In unserer neuere ForschungenWir haben einen neuen bioinspirierten Roboter entwickelt, der mit der Antriebseffizienz des Roboters mithalten kann Aurelia aurita. Zu diesem Zweck haben wir das Schlüsselprinzip nachgeahmt, das es Quallen ermöglicht, ihre hohe Antriebseffizienz zu erreichen: Resonanz.

Die Aurelia aurita oder Mondqualle gilt als die effizienteste Schwimmerin der Welt. Richard A McMillin / Shutterstock

Resonanzrobotik

Resonanz ist ein physikalisches Phänomen, das häufig bei vielen alltäglichen Aktivitäten wie Gehen, Schaukeln und Spielen auftritt sogar singen. Wenn wir zum Beispiel ein schwingendes Pendel beobachten, wissen wir aus Erfahrung, dass es weiter schwingt, bis es zur Ruhe kommt und in einer vertikalen Position hängt, die durch die Schwerkraft bestimmt wird. Die Frequenz, mit der das Pendel schwingt, wird als "Eigenfrequenz" bezeichnet.

Aus Erfahrung wissen wir auch, dass, wenn wir das Pendel in Schwingung halten wollen, der einfachste Weg, dies zu tun, darin besteht, ihm jedes Mal einen hilfreichen Schubs zu geben, wenn es den höchsten Punkt seiner Schwingung erreicht, genau wie wir es tun, wenn wir ein Kind höher schieben auf einer Schaukel. Wenn wir dies tun, lassen wir das Pendel oder die Schaukel „mitschwingen“.

Resonanz tritt also auf, wenn eine externe Kraft ein System mit seiner Eigenfrequenz beeinflusst, wodurch das System bei einem Bruchteil der benötigten Kraft größere Amplitudenschwingungen erzielt. Das macht das Arbeiten mit Resonanz so effizient. Wir haben das gleiche Prinzip auf den Antrieb unseres von Quallen inspirierten Roboters angewendet.

Wir stellten die Hypothese auf, dass wir durch die Entwicklung einer Roboterqualle mit einem elastischen Antriebssystem die inhärente Eigenfrequenz dieses Elastikums nutzen könnten, um den Mechanismus in Resonanz zu versetzen. In Resonanz würde unser Roboter leistungsstarke gepulste Jets zu einem Bruchteil der Energiekosten ausgeben.

Der von uns entwickelte Roboter verfügt über eine elastische Innenkammer, die sich unter der Wirkung eines schirmartigen Mechanismus ausdehnt und zusammenfällt. Bei einem Test in einem Wassertank wurde festgestellt, dass der Roboter seine Schwimmgeschwindigkeit erhöht, wenn sich die Geschwindigkeit, mit der er pulsiert, der Eigenfrequenz der elastischen Kammer der Roboterquallen nähert. Es zeigte sich, dass unsere Roboterquallen Resonanz erreicht hatten.

Die Effizienz eines Systems, das sich selbst antreibt, sei es mechanisch oder biologisch, basiert auf einer Gleichung, die die aufgenommene Leistung, die Geschwindigkeit des Systems und seine Masse kombiniert. Wenn diese Gleichung auf unseren Roboter angewendet wird, stellt sie unsere Roboterquallen auf die gleiche Stufe wie die Aurelia aurita Qualle.

Dies ist ein bemerkenswertes Ergebnis mit zweifacher Wirkung. Einerseits zeigt es zum ersten Mal, dass ein mechanisches System die Antriebseffizienz der besten Schwimmer der Natur erreichen kann. Auf der anderen Seite hat unser Roboter das hervorragende Schwimmen seiner biologischen Gegenstücke erklärt - was Biologen nun helfen kann, mit einer völlig neuen Perspektive zum Studium von Quallen und Tintenfischen zurückzukehren.

Angetrieben von einem System, das von den effizientesten Schwimmern der Natur inspiriert wurde, bietet unsere Roboterqualle einen Prototyp eines dynamischen und effizienten Unterwasserroboters, mit dem die Offshore-Windparkindustrie eines Tages die Teile ihrer Infrastruktur warten kann, die unter den Wellen liegen.

Über die Autoren

Francesco Giorgio-Serchi, Kanzlerstipendiat für Robotik und autonome Systeme, University of Edinburgh

Dieser Artikel wurde am 24. Februar 2021 aktualisiert, um das Team der University of Southampton zu würdigen, das ebenfalls an dieser Forschung gearbeitet hat.

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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