Крылатка плывет против течения, ее хвост движется как маятник в замедленном темпе. Но эта рыба не похожа на своих хладнокровных собратьев. Это робот, и вместо крови, протекающей по его венам, он циркулирует плотной энергией жидкости, которая питает батареи и толкает плавники. Робот, описанный сегодня в журнале Nature, может стать первым шагом в преодолении двух основных препятствий в робототехнике - власти и контроля - с помощью одного решения. И благодаря энергичной жидкости, прокачивающей его псевдососудистую систему, этот робот может быть немного больше похож на нас.
Роботы обычно не работают так же, как живые существа. Роботы Шеперд из Корнелльского университета, главный исследователь нового исследования, объясняют, что вместо сложной сети многофункциональных частей роботы, как правило, состоят из изолированных компонентов, каждый из которых служит одной цели. Например, у них может быть одна система для управления мощностью, а другая - для управления движением, что не всегда эффективно. В отличие от этого, система кровообращения человека многофункциональна: она качает кровь по всему нашему телу и, таким образом, помогает регулировать температуру тела и транспортирует клетки для борьбы с инфекциями.
Есть примеры кровеносных систем в природе, которые даже более эффективны, чем наша. На самом деле, первоначальное вдохновение Шепарда для рыбы-льва на самом деле не было чем-то вроде пловца. Скорее, он был очарован летучим богом с высоким летающим хвостом, перелетной птицей, которую он называет «супер атлетом». Годвит может летать без остановки в течение недели, но сначала удваивает свой вес в жире, чтобы подготовиться к полету.
«Меня действительно поразило то, что вы можете добавлять энергию животному многофункциональным образом - как в теплоизоляции, так и в накоплении энергии, а затем распределять ее эффективным образом», - говорит Шепард. «Если вы сравните это с нашими батареями [в роботах], они часто не выполняют никакой другой функции, кроме обеспечения энергии и прибавления веса».
Имея это в виду, Шепард задалась вопросом, есть ли способ заставить батареи в роботах успешно управлять как мощностью, так и контролем. Многие роботы уже прокачивают гидравлические жидкости, такие как вода, через свои системы, чтобы применить силу, которая перемещает некоторые из их частей. Если бы они могли заменить обычную гидравлическую жидкость на ту, которая накапливает энергию, он думал, что тогда жидкость сможет сделать больше, чем просто облегчить механическое движение. Использование многофункциональной гидравлики также может сэкономить энергию в долгосрочной перспективе, поскольку традиционным роботам с твердотельными батареями часто требуются дополнительные аккумуляторные блоки для длительной работы, которые увеличивают вес и снижают производительность.
Шепард и его команда, которые подали заявку на патент на свою конструкцию, использовали так называемые окислительно-восстановительные батареи с йодистым цинком, в которых есть раствор жидкого электролита, который действует как запас энергии. Обогащенная энергией жидкость способствует химическим реакциям, которые заряжают аккумулятор, а также работает как гидравлическая жидкость, которая циркулирует через крылатку и перемещает ее плавники. Чтобы позволить движение, плавники сделаны из гибких электродов и мягкой силиконовой кожи. Нагнетание гидравлической жидкости в одну сторону хвостового плавника раздувает кожу и заставляет плавник изгибаться вокруг более жестких центральных секций в направлении другой стороны. При изменении направления движения жидкости плавник изгибается в другую сторону, позволяя рыбе плавать, когда жидкость колеблется. Грудные плавники также приводятся в движение жидкостью и могут развеваться наружу, имитируя движения плавников, которые использует лев для общения.
Поместив крылатку в резервуар с соленой водой, команда заметила, что робот может успешно плыть против течения. В экспериментах они позволяли роботу плавать до двух часов, но рассчитывали, что теоретически он может работать до 36 часов. Они также подсчитали, что энергетические характеристики робота были примерно в три-четыре раза лучше, чем у традиционной конструкции с использованием обычной гидравлической жидкости, такой как вода.
Шепард объясняет, что многофункциональное использование твердых батарей не ново. Например, батареи в вилочном погрузчике служат источником энергии, а также обеспечивают вес для стабилизации машины во время подъема тяжелых грузов. Но разнообразное использование жидких батарей до сих пор не изучалось. «Теперь, когда идея существует, - говорит Шепард, - мы надеемся, что, когда люди используют гидравлику, они могут спросить:« Могу ли я заменить гидравлическую жидкость электролитической жидкостью - имеет ли это смысл с затратами энергии в сравнении с весом для более плотная жидкость в моей системе?
«Идея использования жидкости в качестве батареи действительно велика», - говорит Роберт Кацшманн из ETH Zurich, робототехник, который работал над другими роботами-рыбами, но не участвовал в этом исследовании. Тем не менее, Кацшманн сохраняет озабоченность по поводу эффективности батареи и подчеркивает, что эта концепция может быть лучше продемонстрирована из воды, где избегание избыточного веса твердых батарейных блоков становится критически важным без помощи плавучести.
«Теоретически это здорово, потому что вы можете сделать робота, который не под водой», - говорит Кацшманн. «Если вы хотите сделать шагающего робота, это немного сложнее. И никто не показал полностью мягкого робота, который может летать, поэтому имеет смысл показать его под водой в качестве идеи, но предстоит еще много работы ».
Шепард с оптимизмом смотрит на улучшение батареи. Он подчеркивает, что химический состав их батареи безопасен в обращении, но «не такой плотный, как мог бы быть».
«Задача состоит в увеличении плотности энергии при сохранении безопасности», - говорит он. «Мы знаем, куда это может пойти, но мы должны идти туда более осторожно». И, как и Кацшманн, он предполагает, что эта работа будет способствовать будущим роботам на суше, которые могут быть использованы в поисково-спасательных миссиях. «Мы создали растяжимую систему, поэтому форма, которой вы в настоящее время ограничены, может измениться», - добавляет Шепард. «Конечно, будущее за гибридными системами, по крайней мере, для наземных систем… где мягкие части используются для обнаружения и наложения на электромеханические и жидкостные приводы».
Несмотря на то, что в области мягкой робототехники можно сделать много достижений, рыба-лев Шепарда предполагает, что, по крайней мере, пока что все движется плавно.
