Un pește-leu înoată împotriva curentului, cu coada în mișcare lentă ca un pendul. Dar acest pește nu este ca omologii săi cu sânge rece. Este un robot și, în loc să curgă sânge prin vene, circulă un lichid dens de energie pentru a-și alimenta bateriile și a-și împinge aripioarele. Robotul, descris astăzi în revista Nature, poate fi primul pas în abordarea a două obstacole majore în robotică - putere și control - cu o singură soluție. Și datorită lichidului energetic care pompează prin sistemul său pseudo-vascular, acest robot ar putea fi ceva mai mult ca noi.
Roboții nu funcționează în mod obișnuit la fel ca lucrurile vii. În loc de o rețea complexă de părți multifuncționale, roboții tind să fie făcuți din componente izolate care servesc fiecare un singur scop, explică inginerul mecanic Robert Shepherd de la Universitatea Cornell, investigatorul principal al noului studiu. De exemplu, ar putea avea un sistem care să se adreseze puterii și altul să controleze mișcarea, care nu este întotdeauna eficient. În schimb, sistemul circulator uman este multifuncțional: pompează sângele în tot corpul nostru și, astfel, ajută la reglarea temperaturii corpului nostru și transportă celulele pentru combaterea infecțiilor.
Există exemple de sisteme circulatorii în natură, care sunt chiar mai eficiente decât ale noastre. De fapt, inspirația inițială a Shepherd pentru peștele robo-leon nu a fost de fapt o mare înotătoare. Mai degrabă, a fost fascinat de nașa cu coada înaltă de zbor, o pasăre migratoare pe care o numește „super sportiv”. Un naș poate zbura timp de o săptămână fără să se oprească, dar mai întâi își dublează greutatea în grăsime pentru a pregăti zborul.
„Chiar a rămas cu mine că puteți adăuga energie unui animal într-un mod multifuncțional - atât izolarea termică, cât și stocarea energiei, apoi distribuirea acesteia într-un mod eficient”, spune Shepherd. „Dacă le comparați cu bateriile noastre [în roboți], acestea nu îndeplinesc de obicei alte funcții decât furnizarea de energie și adăugarea în greutate.”
Având în vedere acest lucru, Shepherd s-a întrebat dacă există o modalitate de a face ca bateriile din roboți să gestioneze cu succes atât puterea, cât și controlul. O mulțime de roboți pompează deja lichide hidraulice, cum ar fi apa, prin sistemele lor pentru a aplica forța care mișcă o parte din părțile lor. Dacă ar putea înlocui un fluid hidraulic tipic cu unul care stochează energie, el a crezut că atunci fluidul ar putea face mai mult decât să faciliteze mișcarea mecanică. Utilizarea unui hidraulic multifuncțional ar putea, de asemenea, să economisească energie pe termen lung, deoarece roboții tradiționali cu baterii solide au adesea nevoie de pachete de baterii suplimentare pentru funcționarea pe termen lung, care adaugă greutate suplimentară și reduc performanța.
Ciobanul și echipa sa, care au solicitat un brevet pentru designul lor, au folosit ceea ce se numește baterii cu flux redox de iod de zinc, care au o soluție de electrolit lichid în ele, care acționează ca o rezervă de energie. Lichidul bogat în energie contribuie la reacții chimice care încarcă bateria, în același timp funcționând ca un fluid hidraulic care circulă prin peștele-leu și își mișcă aripioarele. Pentru a permite mișcarea, aripioarele sunt fabricate din electrozi flexibili și o piele moale de silicon. Pomparea lichidului hidraulic într-o parte a aripioarei cozii umflă pielea și determină aripioarele să se îndoaie în jurul secțiunilor centrale mai rigide spre cealaltă parte. Inversarea direcției fluidului se îndoaie pe fină în altă parte, permițând peștilor să înoate pe măsură ce fluidul oscilează. Aripioarele pectorale sunt, de asemenea, alimentate de fluid și se pot evanta spre exterior, imitând mișcările de aripă pe care le folosește peștele leu pentru a comunica.
Plasând peștele-leu într-un rezervor cu apă sărată, echipa a observat că robotul ar putea înota cu succes împotriva unui curent. În experimente, au lăsat robotul să înoate până la două ore, dar au calculat că poate teoretic să funcționeze până la 36 de ore. Ei, de asemenea, au estimat că performanța energetică a robotului a fost de aproximativ trei până la patru ori mai bună decât un design tradițional folosind un fluid hidraulic normal ca apa.
Shepherd explică faptul că utilizarea multifuncțională a bateriilor solide nu este nouă. De exemplu, bateriile din stivuitorul acționează ca o sursă de energie, oferind în același timp greutate pentru a stabiliza mașina în timpul ridicării grele. Dar utilizarea diversă a bateriilor lichide nu a fost explorată până acum. „Acum că ideea este acolo, ” spune Shepherd, „Sperăm că atunci când oamenii folosesc hidraulică pot cere:„ Pot înlocui lichidul hidraulic cu fluid electrolitic - asta are sens cu costul energiei față de greutate pentru o fluid mai dens în sistemul meu? ""
„Ideea de a folosi lichidul ca baterie este foarte mare”, spune Robert Katzschmann de la ETH Zurich, un robot care a lucrat la alți pești robotici, dar nu a fost implicat în această cercetare. Cu toate acestea, Katzschmann menține îngrijorări cu privire la eficiența bateriei și subliniază faptul că conceptul ar putea fi mai bine arătat în afara apei, unde evitarea greutății suplimentare a bateriilor solide devine critică fără ajutorul flotabilității.
"Teoretic este minunat, pentru că ai putea face un robot care nu este sub apă", spune Katzschmann. „Dacă vrei să faci un robot de mers, este ceva mai dificil. Și nimeni nu a arătat un robot complet moale care poate zbura, așa că are sens să-l arătați sub apă ca idee, dar încă mai este multă muncă pentru ei. "
Shepherd este optimist în ceea ce privește îmbunătățirea bateriei. El subliniază că chimia bateriei lor este sigură de manipulat, dar „nu este atât de densă de energie pe cât ar putea fi”.
„Provocarea este creșterea densității energetice în timp ce este în siguranță”, spune el. „Știm unde poate merge, dar trebuie să mergem acolo mai cu precauție.” Și ca Katzschmann, el prevede că această lucrare contribuie la roboții viitori pe uscat, care ar putea fi folosiți în misiunile de căutare și salvare. „Am creat un sistem extensibil, astfel încât forma la care sunteți limitat în prezent s-ar putea schimba”, adaugă Shepherd. „Cu siguranță, viitorul este sistemele hibride, cel puțin pentru sistemele terestre ... unde părțile moi sunt utilizate pentru detectarea și suprapunerea prin actuatoare electromecanice și fluide."
Deși sunt multe progrese care trebuie făcute în domeniul roboticii soft, peștele leon al lui Shepherd sugerează că, cel puțin până acum, lucrurile se mișcă de-a lungul înotului.
