Ryba robota - Robot fish
Robota ryb jest rodzajem Bionic robota, który ma kształt i ruchliwość żywego ryb. Od czasu, gdy Massachusetts Institute of Technology po raz pierwszy opublikował badania nad nimi w 1989 roku, opublikowano ponad 400 artykułów na temat ryb robotów. Zgodnie z tymi raportami zbudowano około 40 różnych rodzajów ryb-robotów, przy czym 30 projektów miało jedynie zdolność obracania się i dryfowania w wodzie. Większość ryb robotów jest zaprojektowana do naśladowania żywych ryb, które wykorzystują napęd płetwy ogonowej (BCF) . Ryby robota BCF można podzielić na trzy kategorie: pojedyncze złącze (SJ), wieloprzegubowe (MJ) i inteligentne projektowanie oparte na materiałach. Najważniejszymi częściami badań i rozwoju ryb robotów są postęp w ich kontroli i nawigacji, umożliwiając im `` komunikację '' z otoczeniem, umożliwiając im podróżowanie po określonej ścieżce i reagowanie na polecenia, aby stworzyć swoje `` płetwy '' klapka.
Projekt
Podstawowa biomimetyczna ryba-robot składa się z trzech części: opływowej głowy, korpusu i ogona.
- Głowica jest często wykonana ze sztywnego tworzywa sztucznego (np. Włókna szklanego ) i zawiera wszystkie jednostki sterujące, w tym moduł komunikacji bezprzewodowej, baterie i procesor sygnału.
- Korpus może być wykonany z wielu połączonych przegubowo segmentów, które są połączone siłownikami . Serwomotory kontrolują kąt obrotu przegubu. Niektóre modele mają płetwy piersiowe zamocowane po obu stronach korpusu, aby zapewnić stabilność w wodzie
- Oscylująca płetwa ogonowa (ogonowa) połączona przegubami i napędzana silnikiem zapewnia siłę napędową .
Inspiracja projektowa
Inżynierowie często koncentrują się na projektowaniu funkcjonalnym. Na przykład projektanci próbują stworzyć roboty z elastycznymi ciałami (jak prawdziwe ryby), które mogą wykazywać ruch falisty. Ten rodzaj ciała umożliwia robotowi pływanie w sposób podobny do tego, jak pływają żywe ryby, co może przystosować się i przetworzyć skomplikowane środowisko. Pierwsza ryba-robot (RoboTuna z MIT) została zaprojektowana tak, aby naśladować strukturę i właściwości dynamiczne tuńczyka. Próbując uzyskać siłę ciągu i manewru, systemy sterowania rybami robota są w stanie kontrolować ciało i płetwę ogonową, nadając im ruch przypominający falę.
Aby kontrolować i analizować ruch ryb robotów, naukowcy badają kształt, model dynamiczny i boczne ruchy ogona robota. Jeden z wielu kształtów ogonów występujących u ryb robotów to księżycowaty lub półksiężyc. Niektóre badania pokazują, że taki kształt ogona zwiększa prędkość pływania i tworzy rybę robota o wysokiej wydajności.
Tylny ogon wytwarza siłę ciągu, co czyni go jedną z najważniejszych części ryby robota. Żywe ryby mają potężne mięśnie, które mogą generować ruchy boczne w celu poruszania się, podczas gdy głowa pozostaje w stosunkowo nieruchomym stanie. Dlatego naukowcy skupili się na kinematyce ogona podczas opracowywania ruchu ryb robota.
Teoria smukłego ciała jest często używana podczas badania poruszania się ryb robotów. Średnia szybkość pracy ruchów bocznych jest równa sumie średniej szybkości pracy dostępnej do wytworzenia średniego ciągu i szybkości tracenia energii kinetycznej bocznych ruchów płynu. Średni ciąg można obliczyć całkowicie na podstawie przemieszczenia i prędkości pływania na tylnej krawędzi płetwy ogonowej. Ten prosty wzór jest używany podczas obliczania lokomocji zarówno robota, jak i żywej ryby.
Realistyczne systemy napędowe mogą pomóc usprawnić manewrowanie autonomiczne i wykazywać wyższy poziom sprawności lokomocyjnej. Aby osiągnąć ten cel, można wykorzystać różnorodne opcje płetw w tworzeniu ryb-robotów. Dzięki zastosowaniu płetw piersiowych ryby-roboty mogą wykonywać wektorowanie siły i wykonywać złożone zachowania podczas pływania, zamiast pływać tylko do przodu.
Kontrola
.jpg)
Kształty i rozmiary płetw różnią się drastycznie u żywych ryb, ale wszystkie one pomagają osiągnąć wysoki poziom napędu w wodzie. Aby ryby-roboty mogły osiągnąć ten sam rodzaj szybkiego i zwrotnego napędu, ryby-roboty potrzebują wielu powierzchni sterujących. Osiągi napędu są związane z położeniem, mobilnością i hydrodynamicznymi właściwościami powierzchni sterowych.
Kluczem do kontrolowania wieloprzegubowej ryby-robota jest stworzenie uproszczonego mechanizmu, który jest w stanie wygenerować rozsądną kontrolę. Projektanci powinni wziąć pod uwagę kilka ważnych czynników, w tym boczne ruchy ciała, dane kinematyczne i dane anatomiczne. Kiedy projektanci naśladują rybę robota typu BCF, fala ciała robota-ryby oparta na łączach musi zapewniać ruchy podobne do ruchów żywej ryby. Tego rodzaju kontrola pływania oparta na falach ciała powinna być dyskretna i sparametryzowana dla określonego chodu pływackiego. Zapewnienie stabilności podczas pływania może być trudne, a płynne przechodzenie między dwoma różnymi chodami może być trudne w przypadku ryb robota.
Centralny system neuronowy, znany jako „ Centralny generator wzorców ” (CPG), może zarządzać ruchem ryb robotów z wieloma łączami. CPG znajduje się w każdym segmencie i może łączyć i stymulować skurcze lub rozciąganie mięśni. Mózg, najbardziej przednia część mózgu kręgowców, może kontrolować sygnały wejściowe do uruchamiania, zatrzymywania i obracania. Po tym, jak systemy utworzą stałą lokomocję, sygnał z mózgu ustaje, a CPG mogą wytwarzać i modulować wzorce lokomocji.
Podobnie jak w przypadku żywych ryb, sieci neuronowe służą do sterowania rybami robotów. Istnieje kilka kluczowych punktów w projektowaniu bionicznych sieci neuronowych. Po pierwsze, bioniczne śmigło wykorzystuje jeden serwomotor do napędzania stawu, podczas gdy ryba ma dwa mięśnie grupowe w każdym stawie. Projektanci mogą wdrożyć jeden CPG w każdym segmencie, aby sterować odpowiednim połączeniem. Po drugie, dyskretny model obliczeniowy stymuluje ciągłe tkanki biologiczne. Wreszcie, czas opóźnienia połączenia między neuronami określa międzysegmentowe opóźnienie fazowe. Niezbędna jest funkcja czasu opóźnienia w modelu obliczeniowym.
Używa
Badanie zachowania ryb
Osiągnięcie spójnej odpowiedzi jest wyzwaniem w badaniach behawioralnych zwierząt, gdy żywe bodźce są używane jako zmienne niezależne. Aby sprostać temu wyzwaniu, roboty można wykorzystywać jako spójne bodźce do testowania hipotez, unikając jednocześnie szkolenia i wykorzystywania dużych zwierząt. Sterowane maszyny mogą „wyglądać, wydawać dźwięki, a nawet pachnieć” jak zwierzęta. Możemy uzyskać lepsze postrzeganie zachowania zwierząt, zwracając się do robotów zamiast żywych zwierząt, ponieważ roboty mogą wytwarzać stałą reakcję w zestawie powtarzalnych czynności. Co więcej, przy różnych zastosowaniach terenowych i większym stopniu niezależności, roboty mogą pomóc w badaniach behawioralnych na wolności.
Zabawki
Zabawkowe ryby-roboty to najpopularniejsze zabawki-roboty na rynku. są najczęściej używane do rozrywki, chociaż niektóre służą do badań. Konstrukcja tych zabawek jest prosta i niedroga. Zwykle dzieli się je na dwie kategorie: automatyczne ryby-roboty wycieczkowe i ryby-roboty sterowane ruchem. Najprostsze składają się z miękkiego korpusu (MJ), silnika (ogon) i głowicy (podstawowy elektryczny element sterujący). Korzystają z baterii, aby zapewnić silnikowi energię potrzebną do wytworzenia ruchu i wykorzystują systemy zdalnego sterowania do uzyskania mocy sterującej. W przeciwieństwie do tego, złożoność zabawek i ryb-robotów dla celów badań jest prawie taka sama. Są nie tylko w pełni zautomatyzowane, ale mogą symulować zachowanie ryb. Na przykład, jeśli umieścisz obcy przedmiot w wodzie wraz z rybą-robotem, spowoduje to ruch podobny do ruchu prawdziwej ryby. Odsunie się od obcego obiektu, a prędkość pływania wzrośnie. Wykazuje stan szoku i zdezorientowania obcego obiektu, podobnie jak prawdziwa ryba. Ryby robotów z wyprzedzeniem rejestrują tego typu zachowanie.
Aplikacja na AUV
Obrona wojskowa i ochrona mórz budzą coraz większe zaniepokojenie w dziedzinie badań. Ponieważ misje stają się bardziej skomplikowane, konieczne stają się autonomiczne pojazdy podwodne (AUV) o wysokich osiągach . Pojazdy typu AUV wymagają szybkiego napędu i wielokierunkowej zwrotności. Ryby-roboty są bardziej kompetentne niż obecne statki powietrzne AUV napędzane ruchem, ponieważ ryba jest wzorem dla AUV inspirowanych biologicznie. Podobnie jak żywe ryby, ryby-roboty mogą działać w złożonych środowiskach. Mogą nie tylko prowadzić podwodne eksploracje i odkrywać nowe gatunki, ale także ratować i zakładać podwodne obiekty. Podczas pracy w niebezpiecznych środowiskach ryby-roboty wykazują zwiększoną wydajność w porównaniu z innymi maszynami. Na przykład w strefie koralowców miękkie ryby-roboty mogą lepiej radzić sobie ze środowiskiem. W przeciwieństwie do istniejących AUV, które są nieelastyczne, ryby-roboty mogą dostać się do wąskich jaskiń i tuneli.
Edukacja
Oprócz ogromnego potencjału badawczego, roboty-ryby pokazują również wiele możliwości zaangażowania studentów i ogółu społeczeństwa. Roboty inspirowane biologią są cenne i skuteczne i mogą przyciągać uczniów do różnych dziedzin nauki, technologii, inżynierii i matematyki. Ryby-roboty są używane jako pomocnicze narzędzia edukacyjne na całym świecie. Na przykład roboty podobne do karpia przyciągnęły tysiące młodych ludzi podczas niedawnej wystawy w London Aquarium. Naukowcy i inni badacze prezentowali różne rodzaje ryb-robotów na wielu programach informacyjnych, w tym na pierwszym i drugim amerykańskim Festiwalu Nauki i Inżynierii, odpowiednio w 2010 i 2012 roku. Podczas tych wydarzeń odwiedzający mieli okazję nie tylko zobaczyć robotyczną rybę w akcji, ale także nawiązać kontakt z członkami laboratorium, aby zrozumieć technologię i jej zastosowania.
Przykłady
- W latach dziewięćdziesiątych Biuro Zaawansowanych Technologii CIA zbudowało robota sumowego nazwanego „Charlie” w ramach badania wykonalności bezzałogowych pojazdów podwodnych . Robot został zaprojektowany do zbierania podwodnych danych wywiadowczych i próbek wody, pozostając niewykrytym, i był sterowany przez bezprzewodowy radiotelefon w linii wzroku.
- RoboTuna to robot ryba z kształtem i funkcją ryby prawdziwe tuńczyk, który został zaprojektowany i zbudowany przez zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT). Posiada skomplikowany system linek i bloczków ze stali nierdzewnej, które działają jak mięśnie i ścięgna. Korpus zewnętrzny składa się z elastycznej warstwy pianki pokrytej Lycrą, elastycznym włóknem poliuretanowym, aby naśladować elastyczność i gładkość skóry tuńczyka. Jest sterowany przez sześć potężnych serwomotorów o mocy dwóch koni mechanicznych każdy. Może regulować swoje ruchy w czasie rzeczywistym dzięki czujnikom siły umieszczonym z boku żeber, które zapewniają ciągłe informacje zwrotne do robota.
- Robot Pike to pierwsza na świecie swobodnie pływająca ryba-robot zaprojektowana i zbudowana przez zespół naukowców z MIT. Jest kontrolowany przez ludzką interwencję. Złożony system komputerowy interpretuje polecenia i zwraca sygnały do każdego silnika w robocie łowiącym ryby. Ma skórę z gumy silikonowej i sprężynowany egzoszkielet z włókna szklanego, który sprawia, że robot jest elastyczny. W wodzie może przyspieszać w tempie od ośmiu do dwunastu m / s, ale nie może uniknąć przeszkód, ponieważ nie jest wyposażony w czujniki.
- Essex Robotic Fish został zbudowany przez naukowców z Uniwersytetu w Essex. Potrafi pływać autonomicznie jak prawdziwa ryba i osiągać różne typy wyporności. Ma cztery komputery, pięć silników i kilkanaście czujników umieszczonych w różnych miejscach na ciele. Potrafi pływać wokół zbiornika i omijać przedmioty, a także może przystosować się do niepewnych i nieprzewidywalnych bodźców w swoim otoczeniu. Ma mieć szeroki zakres zastosowań, w tym eksplorację dna morskiego, wykrywanie wycieków w rurociągach naftowych, eksplorację organizmów morskich i szpiegostwo.
- Jessiko to podwodny robot stworzony przez francuską firmę start-up Robotswim. Ma zaledwie 22 cm długości, co czyni go jedną z najmniejszych ryb-robotów na świecie. Jest bardzo łatwy do kontrolowania, może podróżować do tyłu, zmieniać kolory i naśladować wydajność żywych ryb. Dzięki tym funkcjom może dzielić się emocjami, a nawet wchodzić w interakcje z ludźmi. Wykazuje sztuczną inteligencję i potencjalne zastosowania komunikacyjne, dzięki czemu może pływać z ponad dziesięcioma rybami w celu tworzenia ekscytujących choreografii i efektów świetlnych, używając płetw do poruszania się po wodzie. Okazało się, że mała ryba-robot może pływać autonomicznie przez wiele godzin.
- Robotic Fish SPC-03 został zaprojektowany przez Chińską Akademię Nauk (CASIA). Potrafi przepłynąć 1,23 m od kontrolującego źródła w wodzie. Jest stabilny, ma konstrukcję cząsteczkową i jest zdalnie sterowany przez techników. Może pracować od 2 do 3 godzin w zanurzeniu przy maksymalnej prędkości 4 km / h. Ryby mogą chwytać i przenosić zdjęcia, wykonywać kartografię podwodnych funduszy i transportować małe przedmioty.
- Robotyczny Koi został zaprojektowany i opracowany przez Ryomei Engineering z Hiroszimy w Japonii. Ma 80 centymetrów, waży 12 kg i jest zdalnie sterowany. Robotic Koi może być używany do badania stężenia tlenu w wodzie za pomocą czujników umieszczonych w pysku. Może gromadzić informacje o innych gatunkach w swoim środowisku, pływając wśród nich i informując o stanie zdrowia ryb. Wyposażony w kamerę może rejestrować zasoby obecne w głębi wody. Może być również używany do badania uszkodzeń mostów i platform wiertniczych pod wodą.
- W 2014 roku iSplash -II został opracowany przez doktoranta Richarda Jamesa Claphama i prof. Huosheng Hu z Essex University. Była to pierwsza ryba-robot, która była w stanie prześcignąć prawdziwą rybę karangowatą, rybę, która lekko porusza głową, ale generuje znaczną amplitudę ruchu w kierunku ogona pod względem średniej maksymalnej prędkości (mierzonej w długości ciała na sekundę) i wytrzymałości. iSplash -II osiągnął prędkość pływania 11,6BL / s (tj. 3,7 m / s). Pierwsza wersja, iSplash -I (2014), była pierwszą zrobotyzowaną platformą, na której zastosowano ruch pływania w kształcie karangi na całej długości ciała , który, jak stwierdzono, zwiększa prędkość pływania o 27% w porównaniu z tradycyjnym podejściem ograniczonej fali tylnej.