Robojelly - робот-медуза, приводимый в действие водородом

Медузы часто используются инженерами, чтобы имитировать движение в воде, схожее с ее натуральными обитателями.

Медузы являются моделями для инженеров, чтобы имитировать при строительстве океанической мониторы с точки зрения движения в воде и размеры основаны на среду обитания.

Аспиранты университета Вирджинии начали тестирование робота Cyro, размер которого сопоставим со взрослым человеком. Она способна двигаться под водой, а гиганстские щупальца робота были созданы по аналогии с устройством Cyanea capillata — одной из самых крупных медуз в мире. Медуза имеет размеры от 1,5 до 1,8 метров в поперечнике. Самые крупные особи достигали 2,7 метров.

С помощью робота ученые намереваются следить за состоянием моря, составлять карты морского дна и наблюдать за жизнью обитателей морских глубин. Робот оснащен пятью щупальцами. Его вес составляет около 77 кг. Покрытие робота также имитирует устройство медузы. Оно сделано из слоя мягкого силикона.

Модель оснащена автономным питанием, низкое потребление энергии позволяет ей преодолевать большие расстояния от одного заряда. Ученые намерены построить роботов-медуз нескольких размеров, чтобы использовать их максимально эффективно в зависимости от задач исследователей. Например, они оптимально подойдут для изучения мелководного побережья.

Уже сейчас у большого робота-медузы есть собрат небольшого размера. Этот плавающий робот, названный RoboJelly, имеет размеры, сопоставимые с человеческой рукой. Он также был создан командой исследователей из университета Вирджинии.

Американские ученые создали медузу-робота, ее назвали Robojelly. Робот, своими характеристиками, идеально подходит для использования в подводных поисково-спасательных операциях, также теоретически у нее никогда не закончится энергия для работы, так как он питается водородом.

Robojelly построена из ряда инновационных материалов, которые могут изменять свою форму и размер в результате возбуждающих факторов и углеродных нанотрубок. Робот способен имитировать естественные движения медуз, когда его помещают в резервуар с водой робот получает энергию от химических реакций, протекающих на поверхности медузы.

«Насколько нам известно, это первый подводный робот, использующий водород в качестве источника топлива» - сказал автор исследования Yonas Tadesse.

Медуза является идеальным беспозвоночным транспортным средством за счет простой техники плавания «гребли» и «струи». Движение медуз происходит за счет круговых мышц, расположенных во внутренней части колокола основной части тела медузы. За счет сокращения мышц, колокол закрывается, выбрасывая воду из объема, тем самым продвигая беспозвоночное вперед, после чего мышцы расслабляются, и медуза восстанавливает свою первоначальную форму.

Медуза-робот была изготовлена из сплавов с памятью формы (Shape memory alloys - SMA) материалы, которые «помнят» свою первоначальную форму углеродные нанотрубки, покрытые платиновым черным порошком.

Схема экзотермической химической реакции

Схематическая диаграмма hydrogen-fuel-powered SMA actuator

A - cope, B - distributor, C - vehicleinternal support structure, D - drag and E - bottom plate.

Робот питается от энергии экзотремической химической реакции, которая происходит между атомами кислорода и водорода воды и атомами платины купола медузы. Тепло, выделяемое в этой реакции, передается на искусственные мышцы робота, заставляя их сокращать купол. Эта «зеленая» возобновляемая энергия, получаемая из окружающей среды, дает ряд преимуществ роботу: во-первых, не нужен источник внешнего питания, и, во-вторых, не нужна замена аккумуляторов.

Исследователи признают, что робот все еще нуждается в доработке для достижения полной функциональности и эффективности, однако, потенциал данной разработки виден и на сегодняшний день. На видео предоставлен эксперимент 2011 года до введения нового материала нанотрубок с покрытием из платины, где медуза питается от электрического тока.

"В настоящее время конструкция позволяет поднять медузу, питаясь от восьми сегментов колокола, каждый из которых работает как топливный модуль. Этого должно быть достаточно для движения медузы , если все сегменты колокола будут приведены в действие.»

«Мы сейчас исследуем новые технологии доставки топлива к каждому сегменту, так что каждый сегмент сможет управляться индивидуально. Это позволит контролировать роботу топливных модулей, и медуза сможет передвигаться в разных направлениях» - сказал Tadesse.
rutube.ru/video/b6ba2b5bfc6eea490d4127c49e464a3e..

Природа не устает удивлять нас красотой своих «технологических» решений – а мы не устаем удивляться. Немудрено, что она то и дело вдохновляет дизайнеров и инженеров на то, чтобы, по возможности, не изобретать все с нуля, а воспользоваться ее дарами. Так поступили и разработчики «роботов-медуз», покоряющих воду и воздух с фантастической красотой и грацией.
Таким путем пошли и разработчики компании Festo, создатели интереснейших роботов – AquaJelly и AirJelly, обратившие свое внимание на древнейших представителей фауны, медуз. Разумеется, к этому приложены самые современные технологии, доступные человечеству. AquaJelly, по сути, представляет собой искусственную медузу, которую приводит в движение электромотор и адаптивная механическая система. Она состоит из полупрозрачной полусферы и восьми щупалец, а центр ее занимает водонепроницаемая емкость, в которой укрыт и двигатель, и пара Li-Ion батарей, и сервоприводы. По структуре своей каждое щупальце повторяет анатомию рыбьих плавников: оно «колышется» под влиянием перистальтических сил в заполняющих ее «сосудах», и совершает волнообразные движения. Движение же самой AquaJelly в трехмерном пространстве обеспечивает контролируемое перемещение центра ее тяжести. «Медуза» самостоятельно следить за состоянием своих аккумуляторов и поддерживает связь с зарядным устройством, при необходимости подзаряжаясь. Связь поддерживается и с другими AquaJelly в пределах доступности. Находясь на поверхности воды, робот использует для коммуникации экономную радиосвязь – но основной способ связи под водой – это свет. Одиннадцать инфракрасных излучателей позволяют «медузам» взаимодействовать на расстояниях до 0,8 м. Это, конечно, не слишком далеко, но все же не позволяет медузам сталкиваться друг с другом. В «нагрузку» к сенсорам, отслеживающим состояние окружающей водной среды, AquaJelly несет набор датчиков, следящих за ее внутренним состоянием, а чувствительный манометр позволяет роботу «осознавать» глубину своего погружения с точностью до нескольких миллиметров. Но еще более интересна другая разработка инженеров из Festo – «воздушная медуза» AirJelly. Если AquaJelly чувствует себя в воде, как рыба, то AirJelly покоряет воздушную среду, используя похожие схемы. Конечно, для целей полета этот робот использует свой особый «пузырь», который заполняется легким гелием. В остальном он устроен примерно так же – хотя, на наш взгляд, впечатляет еще больше своего водного собрата. Осталось лишь полюбоваться этими удивительно грациозными… даже язык не поворачивается называть их роботами!

Robojelly, новый робот в виде медузы, о котором пойдет речь ниже, приводится в действие водородом и кислородом. Благодаря тому, что этот робот предназначен исключительно для движения в воде он имеет неисчерпаемый источник энергии и теоретически может передвигаться бесконечно. Предназначением робота Robojelly является участие в операциях по поиску, спасению пострадавших во время морских катастроф и проведение скрытных разведывательных миссий в морских глубинах для военных.

Исследователи из Техасского университета в Далласе, Политехнического института и университета штата Вирджиния и других научных учреждений давно изучали механизм движения медуз , которые, как оказывается, могут передвигаться несколькими различными способами. Но большинство медуз передвигается обычным способом, который известен каждому человеку. Мышцы в куполообразном теле медузы сокращаются, купол сворачивается подобно зонтику и реактивная струя воды толкает тело медузы вперед. После этого купол медузы медленно разворачивается когда мускулы медузы расслабляются и цикл движения снова повторяется.

Создание мягкого робота, который может использовать точно такой механизм движения, который используют медузы, требует применения специальных материалов. Ведь твердые скелетообразные конструкции не могут полностью копировать плавные и изящные движения беспозвоночных существ. Поэтому Йонас Тэдесс (Yonas Tadesse) и его коллеги из Техасского университета использовали сплав титана и никеля, который "помнит" свою первоначальную форму и может вернуться к ней после деформации.

Поверхность восьми пластин из титано-никелевого сплава покрыта слоем катализатора весьма сложного состава. Стоит упомянуть, что в состав катализатора входят углеродные нанотрубки и платиновые наночастицы. Кислород и водород, в небольших количествах растворенные в воде, реагируют на платиновом катализаторе, выделяя при этом существенное количество тепла. Углеродные нанотрубки служат в качестве теплопровода, передающего тепло к объему титано-никелевого сплава. Пластины из сплава, неравномерно нагреваясь, деформируются и изгибаются, что является эквивалентом сокращения мышц медузы. После остывания пластины медленно возвращаются к первоначальной форме и цикл повторяется.

Использование такого необычного решения означает, что робот Robojelly получает энергию для движения прямо из воды, не требуя наличия внешнего источника энергии или топливного двигателя. Пока еще Robojelly плавает на привязи в большом аквариуме, а исследователи говорят, что им потребуется еще какое-то время, прежде чем робот сможет самостоятельно отправиться в глубины открытых водоемов.

Построила два типа роботов-медуз, которые способны автономно плавать в воде и в воздухе соответственно. Аппараты выглядят как «чистые» арт-проекты, однако инженеры утверждают, что опробованные в них технологии пригодятся в промышленности.

Новинки, названные AquaJelly и AirJelly , дебютировали на Ганноверской промышленной ярмарке (Hannover Messe), проходящей с 21 по 25 апреля.

Подводная «медуза» не тонет благодаря герметичному корпусу, в котором прячется электроника, а «медуза» воздушная — благодаря корпусу-шару с гелием. Однако интерес представляют не эти детали, а упругие «щупальца», работающие за счёт электропривода и совершающие очень плавные движения, максимально точно подражающие естественным. И AquaJelly и AirJelly оснащены восемью такими щупальцами.

AquaJelly оборудованы специальными маятниками с приводом, позволяющими медузам-роботам менять положение центра тяжести. Это помогает им поворачивать в воде.

Вообще, AquaJelly сделаны более сложными, чем их воздушные «сёстры». Так, они обладают неким минимальным «интеллектом», решающим, что делать в следующий момент, исходя из своего состояния. AquaJelly определяют глубину, на которой находятся, с точностью до нескольких миллиметров, во время «голода» могут находить зарядную станцию (у поверхности воды) и подключаться к ней, а также общаться со своими «сородичами», например, передавая им сообщение, что зарядная станция занята.

И летающие и плавающие роботы от Festo получают питание от встроенных литиевых аккумуляторов (фотографии с сайта gizmodo.com).

В AquaJelly предусмотрено два канала связи: у поверхности бассейна работает маломощное цифровое радио стандарта ZigBee , а под водой — оптическая связь — каждая медуза обладает 11 ИК-светодиодами и набором фотодатчиков.

AquaJelly обнаруживают присутствие друг друга на расстоянии до 80 сантиметров (по инфракрасному излучению) и включают программу уклонения от столкновения.

Специалисты Festo утверждают, что подобные автономные «рои» роботов могут коллективно решать сложные задачи, и «медузы» им интересны в большей степени не как пример бионического привода, а как полигон для проверки технологии «коллективного разума».

AirJelly устроен проще — эта «медуза» управляется с пульта. Зато, сообщает компания, это первый в мире воздушный шар с перистальтическим приводом. Изменение направления движения тут также обеспечивается за счёт перемещения центра тяжести.

На этой и этой странице вы можете посмотреть ролики, показывающие «медуз» в действии.

Надо отметить, что обе модели «медуз» созданы в рамках многолетнего проекта Bionic Learning Network , лозунг которого — «Учиться у природы». Ранее этот проект породил весьма любопытных роботов-скатов, тоже двух вариаций — подводной и воздушной. О них, как и о анатомически близкой к человеческой «роботоруке», мы подробно рассказывали в