Lionfish pływa pod prąd, jego ogon porusza się jak wahadło w zwolnionym tempie. Ale ta ryba nie przypomina zimnokrwistych odpowiedników. Jest robotem i zamiast krwi płynącej w żyłach, krąży w nim gęsta energia ciecz, która zasila zarówno akumulatory, jak i popycha płetwy. Robot, opisany dziś w czasopiśmie Nature, może być pierwszym krokiem do rozwiązania dwóch głównych przeszkód w robotyce - mocy i kontroli - za pomocą jednego rozwiązania. A dzięki płynowi energetycznemu pompowanemu przez układ pseudonaczyniowy ten robot może być trochę bardziej podobny do nas.
Roboty zwykle nie działają w taki sam sposób, jak żywe stworzenia. Zamiast skomplikowanej sieci części wielofunkcyjnych roboty zwykle składają się z izolowanych komponentów, które służą jednemu celowi, wyjaśnia inżynier mechanik Robert Shepherd z Cornell University, główny badacz nowego badania. Na przykład mogą mieć jeden system do zasilania, a drugi do sterowania ruchem, co nie zawsze jest wydajne. Z kolei ludzki układ krążenia jest wielofunkcyjny: pompuje krew w naszym ciele, a tym samym pomaga regulować temperaturę naszego ciała i transportuje komórki w celu zwalczania infekcji.
Istnieją przykłady układów krążenia w naturze, które są jeszcze bardziej wydajne niż nasze własne. W rzeczywistości początkowa inspiracja Shepherda dla robo-lionfish nie była tak naprawdę pływakiem. Zafascynował go raczej wysoko-latający boswit, ptak wędrowny, który nazywa „super sportowcem”. Godwit może latać przez tydzień bez zatrzymywania się, ale najpierw podwaja swoją masę tłuszczu, aby przygotować się do lotu.
„To naprawdę przylgnęło do mnie, że możesz dodawać zwierzęciu energię w sposób wielofunkcyjny - zarówno izolację termiczną, jak i magazynowanie energii, a następnie dystrybucję w sposób, który jest wydajny” - mówi Shepherd. „Jeśli porównasz to z naszymi akumulatorami [w robotach], często nie spełniają one żadnej innej funkcji niż dostarczanie energii i zwiększanie masy ciała.”
Mając to na uwadze, Shepherd zastanawiał się, czy istnieje sposób, aby baterie w robotach skutecznie zarządzały zarówno mocą, jak i kontrolą. Wiele robotów już pompuje płyny hydrauliczne, takie jak woda, przez swoje systemy, aby zastosować siłę, która porusza niektóre ich części. Gdyby mogli zastąpić typowy płyn hydrauliczny tym, który magazynuje energię, pomyślał, że płyn mógłby wtedy zrobić coś więcej niż tylko ułatwić ruch mechaniczny. Stosowanie wielofunkcyjnego układu hydraulicznego może również oszczędzać energię na dłuższą metę, ponieważ tradycyjne roboty z solidnymi akumulatorami często potrzebują dodatkowych zestawów akumulatorów do długotrwałej pracy, które zwiększają wagę i zmniejszają wydajność.
Shepherd i jego zespół, którzy złożyli wniosek o patent na ich konstrukcję, zastosowali tak zwane akumulatory przepływowe redoks jodku cynku, które zawierają ciekły roztwór elektrolitu, który działa jak rezerwa energii. Bogata w energię ciecz przyczynia się do reakcji chemicznych, które ładują akumulator, a jednocześnie działają jako płyn hydrauliczny, który krąży przez lwicę i porusza płetwami. Aby umożliwić ruch, żebra są wykonane z elastycznych elektrod i miękkiej silikonowej skóry. Pompowanie płynu hydraulicznego do jednej strony płetwy ogonowej powoduje napompowanie skóry i powoduje wygięcie płetwy wokół sztywniejszych części środkowych w kierunku drugiej strony. Odwrócenie kierunku płynu powoduje wygięcie płetwy w drugą stronę, pozwalając rybom pływać w miarę oscylacji płynu. Płetwy piersiowe są również zasilane przez płyn i mogą się rozchylać na zewnątrz, naśladując ruchy płetw, które lionfish wykorzystuje do komunikacji.
Umieszczając lionfisha w zbiorniku ze słoną wodą, zespół zaobserwował, że robot może z powodzeniem płynąć pod prąd. W eksperymentach pozwalali robotowi pływać przez maksymalnie dwie godziny, ale obliczyli, że teoretycznie mógłby on działać nawet przez 36 godzin. Oszacowali także, że wydajność energetyczna robota była około trzy do czterech razy lepsza niż tradycyjna konstrukcja z użyciem normalnego płynu hydraulicznego, takiego jak woda.
Shepherd wyjaśnia, że wielofunkcyjne zastosowanie baterii litych nie jest niczym nowym. Na przykład akumulatory w wózku widłowym działają jako źródło energii, zapewniając jednocześnie ciężar w celu ustabilizowania maszyny podczas podnoszenia ciężkiego. Ale różnorodne zastosowanie płynnych akumulatorów nie zostało dotychczas zbadane. „Teraz, gdy istnieje już ten pomysł”, mówi Shepherd, „mamy nadzieję, że kiedy ludzie używają hydrauliki, mogą zapytać:„ Czy mogę zastąpić płyn hydrauliczny płynem elektrolitycznym - czy ma to sens w stosunku do kosztu energii w porównaniu do wagi dla gęstszy płyn w moim systemie? ”
„Pomysł użycia cieczy jako baterii jest naprawdę świetny” - mówi Robert Katzschmann z ETH Zurich, robot, który pracował nad innymi robotami rybnymi, ale nie brał udziału w tych badaniach. Jednak Katzschmann podtrzymuje obawy dotyczące wydajności akumulatora i podkreśla, że koncepcja może być lepiej zaprezentowana poza wodą, gdzie uniknięcie dodatkowej masy solidnych akumulatorów staje się krytyczne bez pomocy pływalności.
„Teoretycznie jest świetny, ponieważ można zrobić robota, który nie jest podwodny”, mówi Katzschmann. „Jeśli chcesz zrobić robota kroczącego, jest to trochę trudniejsze. I nikt nie pokazał w pełni miękkiego robota, który potrafi latać, więc sensowne jest pokazanie go pod wodą jako pomysłu, ale wciąż jest wiele do zrobienia ”.
Shepherd jest optymistą co do ulepszenia baterii. Podkreśla, że chemia ich baterii jest bezpieczna, ale „nie jest tak gęsta, jak to możliwe”.
„Wyzwaniem jest zwiększenie gęstości energii przy zachowaniu bezpieczeństwa” - mówi. „Wiemy, gdzie może się udać, ale musimy iść tam ostrożniej.” I podobnie jak Katzschmann, przewiduje on, że prace te przyczynią się do rozwoju przyszłych robotów lądowych, które mogłyby zostać wykorzystane w misjach poszukiwawczych i ratowniczych. „Stworzyliśmy elastyczny system, więc forma, do której obecnie jesteś ograniczony, może się zmienić” - dodaje Shepherd. „Z pewnością przyszłość to systemy hybrydowe, przynajmniej dla systemów naziemnych… gdzie części miękkie są wykorzystywane do wykrywania i nakładania na elektromechaniczne i płynowe siłowniki.”
Podczas gdy istnieje wiele postępów w dziedzinie miękkiej robotyki, lionfish Shepherda sugeruje, że przynajmniej jak dotąd rzeczy płyną płynnie.
