Новый робот-тунец может плавать быстрее за счет хвоста с динамичной жесткостью

Поскольку рыбы — крайне искусные пловцы, физическая структура их тел чаще всего служит референсом и источником вдохновения для ученых, конструирующих подводных роботов. Исследователи выяснили, что, регулируя жесткость своих хвостов, боты могут плавать намного эффективнее.

У настоящей рыбы мышцы хвоста могут быть усилены для оптимального быстрого спринта или ослаблены для лучшего плавания на малых скоростях и маневренности. Однако роботам, вдохновленным рыбами, приходится идти на компромисс — их хвосты имеют одну жесткость, которая не может идеально подходить ко всем условиям и ситуациям.

«Жесткость хвоста — это как одно передаточное число на велосипеде», — пояснил профессор Дэн Куинн из Университета Вирджинии. «Вы будете эффективны только на одной скорости. Это все равно что ехать по Сан-Франциско на велосипеде с фиксированной передачей; вы вымотаетесь уже через несколько кварталов».

К сожалению, очень сложно определить, как и когда рыба изменяет жесткость хвоста. Работая с докторантом Цян Чжун, Куинн обратился к гидродинамике и биомеханике, чтобы получить теоретическую модель этого процесса. Оказалось, что жесткость хвоста должна увеличиваться в зависимости от квадрата текущей скорости плавания.

Авторы работы испытывают AutoTuna Daniel Benjamin Quinn / The University of Virginia 

Чтобы проверить свою теорию на практике, ученые построили тунца-робота, известного как AutoTuna. Основываясь на модели жесткости хвоста реальной рыбы, устройство использует программируемое сухожилие для автоматического изменения жесткости хвостовой части. Примечательно, что робот может плавать в более широком диапазоне скоростей, чем идентичная в остальном модель с фиксированной жесткостью хвоста, при этом потребляя почти вдвое меньше энергии.

В настоящее время исследователи изучают, как эту технологию можно применить к роботам, основанным на других типах плавающих животных.

«Механизмы настройки жесткости, подобные нашему, можно сделать весьма компактными, чтобы они могли поддерживать роботов различных размеров и форм», — пояснил Куинн. «Сложнее всего выяснить, насколько жестким должен быть робот при различных частотах и ??скоростях плавания. Мы использовали физическую модель и тесты в водоемах, чтобы разработать основные правила управления, которые наш робот будет использовать при автоматической настройке жесткости хвоста. Эта модель нужно будет откалибровать заново, если вы задумаете сделать робота больше (например, дельфиноподобного) или переключились на другой тип плавания (например, на робота, похожего на ската), но это вполне выполнимо».