Мягкий робот, вдохновленный рыбами, пережил путешествие в самую глубокую часть океана

Самые глубокие районы океанов по-прежнему остаются одними из наименее исследованных районов на Земле, несмотря на их значительный научный интерес и богатство населяющих их форм жизни. Есть две причины этого – низкие температуры и огромное давление, оказываемое на такой глубине. Это требует, чтобы исследовательское оборудование было тщательно экранировано внутри высокопрочных металлических или керамических камер, чтобы противостоять им. Это делает глубоководные исследовательские суда дорогими и громоздкими, а также затрудняет их проектирование, производство и транспортировку.

Но новая маленькая автономная подводная рыба-робот, похоже, предлагает альтернативу. Согласно недавней публикации, робот смог достичь самой глубокой части Тихого океана – Марианской впадины – на глубине почти 11 км. Давление здесь более чем в тысячу раз превышает давление на поверхности моря. Тем не менее, различные животные, в том числе рыбы, способны выдержать это ошеломляющее давление и адаптировались к жизни в таких неблагоприятных условиях. Сообщается, что морфология и структура черепа одного из этих морских организмов и вдохновили на создание этого замечательного робота-пловца.

Фото: https://reefcoral.ru/

Основным прорывом, который позволил сделать это важное достижение, стал специально разработанный податливый полимерный корпус, который деформируется, не ломаясь, под высоким давлением. Команда исследователей из Ханчжоу в Китае смогла встроить хрупкие электронные компоненты, необходимые для питания, движения и управления, в защитную силиконовую матрицу. Электронные компоненты были отделены друг от друга, вместо того, чтобы быть плотно упакованными, как это принято, чтобы сделать их более устойчивыми к давлению, как кости черепа глубоководной рыбы.

Робот тоже выглядит как глубоководная рыба, с удлиненным телом и хвостом, а также двумя большими боковыми плавниками из тонкого силикона. Его плавники откидываются, чтобы привести в движение маленького робота, длина которого составляет всего 22 см, а размах крыльев – 28 см. Плавники управляются не жесткими двигателями, а мягкими искусственными мышцами, содержащими диэлектрические эластомеры – класс интеллектуальных материалов, которые сокращаются при приложении электрического напряжения для создания движения. Дискообразные элементы из диэлектрического эластомера создают взмахи плавников, которые приводят робота в движение, достигая скорости примерно до половины длины тела в секунду (около 0,2 км / ч) даже на значительной глубине.

Однако этот тип приводов – частей, которые заставляют машину двигаться – требует очень высокого напряжения. Компактный высоковольтный усилитель увеличивает напряжение литий-ионной батареи более чем в тысячу раз, чтобы удовлетворить это требование, а инфракрасный приемник позволяет дистанционно управлять роботом. Мягкие ласты и мягкие приводы были тщательно спроектированы, чтобы выдерживать и хорошо работать при низких температурах и высоких давлениях в глубоководной среде.

Команда провела обширные вычислительные исследования и лабораторные испытания методологии движения и того, как электроника выдерживает экстремальные нагрузки. Затем они провели полевые испытания в свободном плавании, сначала в глубоком озере, затем в Южно-Китайском море на глубине более 3 км, прежде чем развернуть его в Марианской впадине. Во время «полевых» испытаний робот был установлен на глубоководном спускаемом аппарате, поэтому ему не разрешалось свободно плавать. Но он был в состоянии поддерживать свое колебательное движение, зафиксированное камерами посадочного модуля, в течение 45 минут на глубине 10900 метров.

Фото: https://webunions.mirtesen.ru/

Мягкие роботы

Этот глубоководный пловец является примером нового поколения роботов, вдохновленных живыми организмами, как животными, так и растениями. Они созданы с использованием преимуществ совместимых материалов, таких как силикон и другие полимеры, гели или даже текстиль. Эти роботы могут сгибаться, поддаваться и адаптироваться в ответ на силы окружающей среды, поэтому по своей природе они работают безопаснее по сравнению с типичными жесткими промышленными роботами. С другой стороны, их конструкция, срабатывание, обнаружение и управление могут создавать серьезные проблемы, которые лежат в основе их научных и технологических интересов.

В настоящее время ведется интенсивная междисциплинарная исследовательская деятельность в этой новой области, называемой «мягкая робототехника», которая ведет к захватывающим инновационным достижениям для множества связанных приложений, от сельского хозяйства до медицины и космоса. Текущая версия глубоководного пловца кажется относительно медленным, не очень легким для маневрирования и, возможно, не способным противостоять сильным подводным течениям, которые могут нарушить его курс при попытке следовать желаемому пути. Однако у его разработчиков, похоже, уже есть планы по дальнейшим улучшениям, которые сделают его более маневренным, более эффективным и умным. Таким образом, несмотря на все недостатки, мы не должны недооценивать принципы проектирования роботов и технологические достижения, которые привели к такой демонстрации.