Robot vandmænd kunne hjælpe service offshore vindmølleparker
Vores robot er inspireret af vandmanden. Willyam Bradberry / Shutterstock 

Nogle af de sidste områder med uberørt og uberørt vildmark på Jorden findes under havene. Alligevel er disse marine økosystemer truet af dybhavsmineprojekter, olierigge og havvindmølleparker. Når disse faciliteter bygges og vedligeholdes, har de en tendens til at skade de rige økologiske netværk omkring dem.

Robotikere og ingeniører arbejder på at løse dette problem og søger efter nye måder at skabe maskiner, der kan hjælpe med at reparere, vedligeholde eller inspicere de undersøiske komponenter i den voksende offshore-industri. Ledet af kollegaerne Thierry Bujard og Gabriel Weymouth fra University of Southampton har mit team gjort det fundet en løsning til dette problem ved at designe undervandsrobotter inspireret af naturens smarteste svømmere: den ultraeffektive månemanet.

Traditionelle akvatiske robotter er designet til to hovedformål: til effektiv, langdistance navigation på tværs af åbne vandstrækninger og til opgaver, der kræver høj manøvredygtighed tæt på nedsænkede strukturer. Begge robottyper er effektive, men få robotter kombinerer effektiv rejse med høj manøvredygtighed. Det betyder, at de fleste akvatiske robotter er for klodset og klodset til at støtte offshoreindustrien uden også at skade det undersøiske miljø.

Faktisk med udvidelsen af ​​offshore-udviklingen til stadig mere skrøbelige miljøer kæmper selv avancerede marine robotter for at klare kompleksiteten i deres missioner. Masser af forskning er i øjeblikket i gang med at udvikle autonome dybhavsrobotter med initiativer som f.eks Xprize tilbyde finansiering til nogle af de mest spændende ideer.


indre selv abonnere grafik


Marine maskiner

For at imødegå disse udfordringer har ingeniører kigget på biologi for at inspirere til nye former for robot undervandsfremdrift. Efter millioner af år med evolution, går logikken ud, skal akvatiske skabninger tilbyde modeller, der hjælper med at løse svaghederne ved den nuværende afgrøde af undersøiske robotter.

Svømmetilstanden for fisk, der er baseret på flagrende af deres forskellige finner, er blevet den primære inspirationskilde for dem eksperimentere med nye undervandskøretøjer. Men pulse-jet-svømmetilstanden foretaget af vandmænd betragtes bredt som verdens mest effektive undervandsfremdrivningsmekanisme og tilbyder en mere overbevisende teknologisk løsning, der er meget lettere for robotter at efterligne.

Pulsstråling er afhængig af den cykliske ekspansion og sammentrækning af et hulrum i prøvelegemet. Dette system driver indtagelse og udvisning af vand, som i sidste ende giver vandmænd en form for fremdrift.

På trods af sin enkelhed kan denne svømningsstrategi resultere i utrolig smidighed såvel som at være meget energieffektiv. Den hurtigste blæksprutte kan rejse op til 8 meter per sekund ved hjælp af et pulsstrålesystem, mens vandmændene Aurelia aurita (også kendt som månen vandmænd) er kendt for at være den mest effektive svømmer på planeten.

Ved at kopiere disse organismer, når vi bygger undervandsrobotter, kan vi designe nye undervandskøretøjer, der er i stand til at kombinere høj manøvredygtighed med uovertruffen effektivitet. I vores nyere forskning, vi udviklede en ny bioinspireret robot, der kan matche den fremdrivende effektivitet af Aurelia aurita. For at gøre dette efterlignede vi nøgleprincippet, der gør det muligt for vandmænd at opnå deres høje fremdrivningseffektivitet: resonans.

Aurelia aurita eller måne vandmændAurelia aurita eller måne vandmænd betragtes som den mest effektive svømmer på jorden. Richard A McMillin / Shutterstock

Resonant robotik

Resonans er et fysisk fænomen, der ofte ses i mange daglige aktiviteter såsom at gå, lege på en gynge og selv synger. Hvis vi for eksempel ser et svingende pendul, ved vi af erfaring, at det vil fortsætte med at svinge, indtil det hviler og hænger i en lodret position som bestemt af tyngdekraften. Frekvensen, hvormed pendulet svinger, kaldes dets “naturlige frekvens”.

Erfaringsmæssigt ved vi også, at hvis vi ønsker at holde pendulet oscillerende, er den nemmeste måde at gøre dette ved at give det et nyttigt skub, hver gang det når det højeste punkt i sin svingning, ligesom vi gør, når vi skubber et barn højere på et sving. Når vi gør dette, tillader vi at pendulet eller svinget ”resonerer”.

Så resonans opstår, når en ekstern kraft påvirker et system ved dets naturlige frekvens, hvilket får systemet til at opnå større amplitudesvingninger ved en brøkdel af den nødvendige kraft. Det er det, der gør drift ved resonans så effektiv. Vi anvendte det samme princip på fremdriften af ​​vores vandmand-inspirerede robot.

Vi antog, at ved at designe en robot vandmand med et elastisk fremdrivningssystem, kunne vi udnytte den iboende naturlige frekvens af elastikken til at drive mekanismen til resonans. I resonans udsendte vores robot kraftfulde pulserende jetfly til en brøkdel af energiomkostningerne.

Roboten, vi udviklede, har et elastisk indre kammer, der udvider sig og kollapser under virkningen af ​​en paraplylignende mekanisme. Da testen blev testet i en vandtank, viste det sig, at robotten øgede sin svømmehastighed, da den hastighed, hvormed den pulserede, nærmede sig den naturlige frekvens af vandmandens elastiske kammer. Det beviste, at vores robotmaneter havde opnået resonans.

Effektiviteten af ​​et system, der driver sig selv, det være sig mekanisk eller biologisk, er baseret på en ligning, der kombinerer den absorberede kraft, systemets hastighed og dens masse. Når den anvendes på vores robot, sætter denne ligning vores robot vandmænd på niveau med Aurelia aurita vandmand.

Dette er et slående resultat med en dobbelt påvirkning. På den ene side viser det for første gang, at et mekanisk system kan opnå fremdrivningseffektiviteten hos de bedste af naturens svømmere. På den anden side har vores robot forklaret den fremragende svømning af dets biologiske kolleger - som nu kan hjælpe biologer med at vende tilbage til studiet af vandmænd og blæksprutter med et helt nyt perspektiv.

Drevet af et system inspireret af de mest effektive af naturens svømmere, giver vores robotmaneter en prototype af en dynamisk og effektiv undervandsrobot, som offshore vindmølleindustrien en dag kan bruge til at vedligeholde de dele af deres infrastruktur, der ligger under bølgerne.

Om forfatterne

Francesco Giorgio-Serchi, kanslerstipendiat inden for robotteknologi og autonome systemer, University of Edinburgh

Denne artikel blev opdateret den 24. februar 2021 for at kreditere teamet fra University of Southampton, som også arbejdede med denne forskning.The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

Relaterede bøger

Nedtrapning: Den mest omfattende plan, der nogensinde er blevet foreslået til at vende global opvarmning

af Paul Hawken og Tom Steyer
9780143130444I lyset af udbredt frygt og apati er en international koalition af forskere, fagfolk og forskere mødtes for at tilbyde et sæt realistiske og dristige løsninger på klimaforandringer. Hundrede teknikker og fremgangsmåder er beskrevet her - nogle er velkendte; nogle du måske aldrig har hørt om. De spænder fra ren energi til at uddanne piger i lande med lavere indkomst til praksis i landbruget, der trækker kulstof ud af luften. Løsningerne findes, er økonomisk levedygtige, og samfund overalt i verden vedtager i øjeblikket dem med dygtighed og beslutsomhed. Fås på Amazon

Design af klimaløsninger: En politikvejledning til lav-kulstofenergi

af Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
1610919564Da virkningerne af klimaændringerne allerede er over os, er behovet for at reducere de globale drivhusgasemissioner intet mindre end presserende. Det er en skræmmende udfordring, men teknologierne og strategierne til at imødekomme den findes i dag. Et lille sæt energipolitikker, der er designet og implementeret godt, kan sætte os på vejen mod en fremtid med lav kulstofemission. Energisystemer er store og komplekse, så energipolitikken skal være fokuseret og omkostningseffektiv. One-size-fits-all-tilgange får simpelthen ikke jobbet gjort. Politiske beslutningstagere har brug for en klar, omfattende ressource, der skitserer de energipolitikker, der har størst indflydelse på vores klimafremtid, og beskriver, hvordan disse politikker skal designes godt. Fås på Amazon

Dette ændrer alt: kapitalisme vs. klima

af Naomi Klein
1451697392In Dette ændrer alt Naomi Klein hævder, at klimaforandringer ikke kun er et andet spørgsmål, der skal indbringes pænt mellem skatter og sundhedsvæsen. Det er en alarm, der opfordrer os til at løse et økonomisk system, der allerede svigter os på mange måder. Klein bygger omhyggeligt sagen for, hvor massivt at reducere vores drivhusemissioner er vores bedste chance for samtidig at mindske gabende uligheder, forestille os vores ødelagte demokratier og genopbygge vores slanke lokale økonomier. Hun udsætter den ideologiske desperation af klimaændringsnægterne, de messianske vrangforestillinger fra de ville være geoengineers og den tragiske nederlag fra for mange mainstream grønne initiativer. Og hun demonstrerer netop, hvorfor markedet ikke har - og ikke kan - løse klimakrisen, men i stedet forværre tingene med stadig mere ekstreme og økologisk ødelæggende udvindingsmetoder ledsaget af voldsom katastrofekapitalisme. Fås på Amazon

Fra udgiveren:
Køb på Amazon går til at bekæmpe omkostningerne ved at bringe dig InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, , ClimateImpactNews.com uden omkostninger og uden annoncører, der sporer dine browservaner. Selv hvis du klikker på et link, men ikke køber disse valgte produkter, betaler alt andet, du køber i det samme besøg på Amazon, en lille provision. Der er ingen ekstra omkostninger for dig, så vær venlig at bidrage til indsatsen. Du kan også bruge dette link at bruge til Amazon når som helst, så du kan hjælpe med at støtte vores indsats.