Подводные автономные исследователи: что мы знаем о мягких рыбах-роботах



Подводные автономные исследователи: что мы знаем о мягких рыбах-роботахСегодня разработчики робототехники создали уже различные типы мягких роботизированных рыб, таких как биомиметическая рыба-робот (Biomimetic Robot Fish), рыба-робот «FILOSE», «Aircauda» и другие, которые приближают нас все ближе и ближе к имитированию реального движения биологической рыбы. Опубликованные данные о разработке автономной мягкой роботизированной рыбы, способной совершать маневры быстрого движения с использованием гибких эластичных приводов, показывает, как далеко разработчики продвинулись со времён создания прототипа Robotuna в Массачусетском технологическом институте, разработанной в 1994 году.

 

Рассмотрим базовые конструкционные особенности робота. Новые открытые научным сообществом композитные материалы с мягкой структурой являются ключевыми факторами, способствующими созданию роботов с мягким телом. Модуль Юнга играет важную роль в измерении жёсткости материалов, которые используются для изготовления деталей мягкого робота. Обычно традиционные материалы, такие как твёрдые пластики, металлы и подобные, как правило, имеют значения порядка 109-1012 Па. Естественные организмы живой природы, в основном, имеют параметры 104-109, поскольку они состоят из мышечных тканей, связок, кожи и т.д. Следовательно, материалы мягких роботов должны состоять из материалов, модули которых совпадают со значениями естественных организмов. Сейчас уже изобретены композитные составы для изготовления мягких биологических материалов, которые помогают создавать системы, способные к автономному поведению.

 

Мягкая роботизированная рыба имеет в себе все подсистемы обычного робота. К ним относятся вычислительная система и система управления, система приведения в действие, конечные эффекторы, приводные аппаратные компоненты и система питания. Предыдущие подходы к созданию рыбоподобных роботов приводили к созданию роботизированных рыбных тел, которые были твёрдыми, то есть состояли из конечных суставов и жёстких звеньев. Роботы с мягким телом предоставили учёным жизнеспособную альтернативу, которая обеспечивает непрерывную деформацию костяка и теоретически бесконечную степень свободы.

 

Основная механическая конструкция soft robotic fish основана на трёх важных функциональных компонентах, а именно:

 

  1. Использование мягкой конструкции тела «рыбы» для движения вперёд и рыскания.
  2. Управление угловым движением (тангажом) с помощью водонепроницаемых приводных плоскостей с сервоприводом.
  3. Приведение в действие хвоста с помощью водонепроницаемого шестерёнчатого насоса.

 

Для обеспечения плавного и безрывкового движения такого робота обязательно требуется жидкостный источник гидравлического привода. В ранних конструкциях мягких роботизированных рыб в качестве источника энергии были задействованы конструкции пневматического привода, в которых использовались баллоны со сжатым газом для быстрого приведения аппарата в движение. От них были вынуждены отказаться из-за ограничений, с которыми сталкиваются пневматические приводы, и в настоящее время, в качестве лучшей альтернативы, используется привод из жидкого эластомера. Методом приведения в действие с замкнутой циркуляцией, служит конструкция, использующая несжимаемую жидкость, (такую как вода), и шестерёнчатый насос (в комплекте с приводным двигателем постоянного тока) для перемещения его вперёд и назад.

 

Предпосылкой проприоцептивных датчиков для мягкого робота обычно являются либо бесконтактные датчики, либо низкомодульные эластомеры, объединённые с жидкофазным материалом. Поскольку мягкие роботы движутся за счёт создания формы тела и изменения положения в пространстве, проприоцепция сильно зависит от датчиков кривизны. Низкий модуль предлагаемых эластомерных датчиков, которые имеют модули в пределах 105- 106 Па, вызывает незначительные изменения импеданса основных структур. Низкий модуль предлагаемых эластомерных сенсоров, имеющих модули в пределах 105-106 Па, вызывает незначительные изменения импеданса базовых конструкций. Эти датчики по большей части имеют многослойную структуру, где различные тонкие эластомерные слои разработаны с микрожидкостными каналами с помощью тонкой литографии. Каналы таким образом загружаются жидким проводником, таким как галлийсодержащие композиты - например, сплав eGaIn который состоит из галлия и индия, принимая при комнатной температуре гелеобразное состояние. Это позволяет адаптировать датчики для измерения различных деформаций, включая упругие деформации, деформации сдвига или кривизны.

 

Система управления в базовой мягкой роботизированной рыбе состоит из микроконтроллера (MCU), запрограммированного модуля (PLD - Programmable Logic Device), моторных сервоприводов и беспроводного модуля связи. Блок микроконтроллера может обмениваться данными с другими устройствами через беспроводной модуль. Как только блок микроконтроллера получает и вводит данные, он отправляет сигнал широтно-импульсной модуляции на привод двигателя управления скоростью хвостовых двигателей, тем самым управляя частотой колебаний хвоста. PLD управляет сервоприводом «рёбер» с помощью широтно-импульсной модуляции, которая заставляет их совершать требуемое движение.

 

Развитие искусственного интеллекта, машинного обучения и программирования роботов, обеспечила такие условия, при которых мягкая роботизированная рыба может принимать относительно разумные решения и предпринимать необходимые действия на основе информации, предоставляемой датчиками. Инфракрасные датчики используются для обнаружения препятствий. В биомиметическом роботе-рыбе три датчика были установлены на правой, средней и левой сторонах тела. В соответствии с данными, полученными сразу от этих трёх датчиков, робот принимал необходимые решения и выполняла необходимые действия для того, чтобы проплывать между препятствиями. Увеличение или уменьшение скорости плавания, избегание препятствий, плавание в безопасное место — вот несколько примеров действий в реальном времени, предпринимаемых такими роботами. Нет сомнения в том, что в будущем будут разработаны дальнобойные способы обеспечения дуплексной связи, способные управлять такими аппаратами на достаточной глубине, и это приведёт к революционным шагам в области подводных изысканий.