Крупномасштабные исследования подводной жизни требуют новых форм взаимодействия с использованием биомиметических существ, способных к маневрам в плавании, оснащенных камерами и поддерживаемых дистанционным управлением человека. Биомиметическая подводная обсерватория для долгосрочных исследований могла бы способствовать пониманию морских организмов, особенно их социального поведения и того, как изменения окружающей среды влияют на хрупкое равновесие в подводном пространстве. Одной из возможностей достижения этой цели является использование подводных аппаратов, которые могут плавать бок о бок с морскими живыми организмами, позволяя проводить наблюдения с близкого расстояния.
Транспортные средства с дистанционным управлением или автономные подводные аппараты в океанской среде обычно используют винты или реактивные двигательные установки. Однако эти двигательные устройства создают значительную турбулентность и способны напугать морских обитателей. Кроме того, сам по себе внешний вид этих аппаратов плохо вписывается в морскую среду. Сложность большинства традиционных устройств также требует дорогостоящего изготовления и сложных стратегий управления. А их большой объем ограничивает привязку к глубоководным участкам с помощью специально оборудованных судов. Мелкие устройства обычно требуют тросов, что может быть громоздким и ограничивать их работу.
Рыба-робот.
Для решения этой проблемы придумали биомиметических рыбных роботов SoFi, которые могли бы легко использоваться одним дайвером. Это мягкий подводный робот с жидкостным приводом, который плавает непрерывными и соответствующими движениями, имитирующими плавание рыбы. Биомимикрия потенциально повышает способность роботов приближаться к морским живым организмам, не нарушая их естественной среды обитания.
В отличие от предыдущих разработок, этот робот способен работать без привязки в океанской среде. Он может двигаться по трехмерным (3D) траекториям путем корректировки своих плоскостей погружения или контроля своей плавучести. Бортовые датчики воспринимают окружающую среду, а система управления полётом позволяет дайверу отдавать дистанционные команды.
- Рыба-роботы первого поколения были подвешены под воду и приводились в действие пневматическим приводом для плавания вперед на фиксированной глубине и выполнения аварийных маневров.
- Рыба-роботы второго поколения использовали гидравлическое мягкое управление и встроенные плоскости для динамического погружения. Однако роботы имели ограниченную тягу, не могли выдержать сжатия на глубине более метра, самостоятельно регулировать свою плавучесть и не имели механизма подводного дистанционного управления и связи с человеком-дайвером.
- Робот SoFi интегрирует и расширяет эти предыдущие работы, достигая не привязанного плавания и дистанционного управления на различных глубинах в сложных условиях.
Значение новой разработки.
SoFi способен вести тщательные наблюдения за морской жизнью и может стать новой платформой для изучения и взаимодействия с подводными видами. Он демонстрирует, что привод с мягкой жидкостью может быть успешным механизмом для продолжительных не связанных подводных исследований на различных глубинах.
В частности, эта работа представляет собой:
- мощный гидравлический мягкий привод;
- механизм управления, позволяющий роботу регулировать плавучесть в зависимости от глубины;
- бортовую аппаратуру наблюдения и регистрации окружающей среды;
- систему управления плаванием, которую человек-дайвер может использовать для передачи роботу навигационных команд на расстоянии с помощью акустических сигналов;
- расширенные эксперименты на глубинах от 0 до 18 метров.
Робот SoFi продемонстрировал способность самостоятельно выполнять команды высокого уровня в прибрежных водах и коралловых рифах на глубине до 18 м. Он обладает встроенными возможностями не привязанной мобильной подводной обсерватории, что потенциально позволяет вести непрерывный мониторинг морской жизни.
Система управления.
Природные системы часто превосходят жесткие роботизированные системы по своим мягким и соответствующим требованиям к характеристикам, таким как непревзойденная скорость и ловкость гепарда или способность мертвой рыбы плавать вверх по течению. Новаторской разработкой в области роботов-рыболовов стал беспилотный подводный аппарат Vorticity Control - система, использующая приводной узел для осуществления плавания, похожего на рыбу. Это послужило источником вдохновения для разработки мягких рыб-роботов с гидравлическим управлением.
Несколько обзоров мягких роботизированных систем выявили потенциальные преимущества деформируемых корпусов для роботизированных систем. В данном случае для создания автономного устройства используется монолитное литье. Это надежный и легко воспроизводимый способ изготовления мягких приводов со сложными внутренними полостями и без швов, которые могут нарушить целостность конструкции. Попеременная транспортировка жидкости из одной камеры в другую, осуществляемая в SoFi, не требует дополнительного накопителя, и жидкость не должна выходить наружу, чтобы сдуть воздух из привода. Использование воды вместо воздуха в качестве трансмиссионной жидкости также облегчает развертывание под водой.
Для рыба-робота разработали модульную систему плавучести, которая является быстрой, простой и эффективной в управлении и регулировании. Простой однонаправленный протокол связи с алгоритмами обнаружения позволяет системе отправлять короткие командные слова, будучи легко интегрированной в SoFi.
Заключение.
Данная разработка прошла все этапы:
- проектирование и изготовление;
- контроль и океанические испытания мягкой рыбы-робота, способной плавать в трех измерениях для непрерывной регистрации водной флоры и фауны.
Используя миниатюрный акустический коммуникационный модуль, дайвер может направлять рыбу, посылая команды, такие как скорость, угол поворота и динамическое вертикальное погружение. Он основан на предыдущих поколениях рыб-роботов, которые были ограничены одной плоскостью на мелководье и не имели дистанционного управления. Результаты экспериментов, полученные в ходе испытаний вдоль коралловых рифов в Тихом океане, показывают, что эти рыбы-роботы могут успешно перемещаться по водной среде на глубинах от 0 до 18 метров. Кроме того, эти рыбы-роботы демонстрируют реалистичное волнистое движение хвоста благодаря мягкому софту, который способствует более естественной интеграции в океанскую среду. Эти исследования выходят за рамки того, что возможно в настоящее время с использованием традиционных подводных аппаратов. Акустически управляемые рыба-роботы могут быть использованы в будущем для изучения взаимодействия водных организмов и динамики океана.
