Robotické ryby - Robot fish
Robot ryby je typ bionické robot, který má tvar a pohyblivost o živé ryby. Od té doby, co Massachusetts Institute of Technology poprvé publikoval jejich výzkum v roce 1989, bylo o robotických rybách publikováno více než 400 článků. Podle těchto zpráv bylo vyrobeno přibližně 40 různých druhů robotických ryb, přičemž 30 návrhů mělo pouze schopnost převrácení a driftování ve vodě. Většina robotických ryb je navržena tak, aby napodobovala živé ryby, které používají pohon Body-kaudal fin (BCF) . Robotické ryby BCF lze rozdělit do tří kategorií: Single Joint (SJ), Multi-Joint (MJ) a inteligentní materiálový design. Nejdůležitější částí výzkumu a vývoje robotických ryb je zdokonalování jejich ovládání a navigace, což jim umožňuje „komunikovat“ se svým prostředím, což jim umožňuje cestovat po určité cestě a reagovat na povely, aby vytvořili „ploutve“ klapka.
Design
Základní biomimetická robotická ryba se skládá ze tří částí: zjednodušené hlavy, těla a ocasu.
- Hlava je často vyrobena z tuhého plastového materiálu (tj. Ze skleněných vláken ) a obsahuje všechny řídicí jednotky včetně modulu bezdrátové komunikace, baterií a signálního procesoru.
- Těleso může být vyrobeno z několika spojovaných segmentů, které jsou spojeny servomotory . Servomotory řídí úhel otáčení kloubu. Některé konstrukce mají prsní ploutve upevněné na obou stranách těla, aby byla zajištěna stabilita ve vodě
- Hnací sílu poskytuje oscilační ocasní (ocasní) ploutev spojená s klouby a poháněná motorem .
Inspirace designem
Inženýři se často zaměřují na funkční design. Návrháři se například pokoušejí vytvořit roboty s pružnými těly (jako skutečné ryby), které mohou vykazovat vlnitý pohyb. Tento druh těla umožňuje robotickým rybám plavat podobně, jako plave živé ryby, které se mohou přizpůsobit a zpracovat komplikované prostředí. První robotická ryba (MIT's RoboTuna) byla navržena tak, aby napodobovala strukturu a dynamické vlastnosti tuňáka. Ve snaze získat tahové a manévrovací síly jsou robotické řídicí systémy ryb schopné ovládat tělo a ocasní ploutve a dávat jim pohyb podobný vlnám.
Za účelem kontroly a analýzy robotického pohybu ryb vědci studují tvar, dynamický model a boční pohyby robotického ocasu. Jeden z mnoha tvarů ocasu nalezených na robotických rybách je lunate nebo ve tvaru půlměsíce. Některé studie ukazují, že tento druh ocasu zvyšuje rychlost plavání a vytváří vysoce účinnou robotickou rybu.
Zadní ocas vytváří přítlačnou sílu, což z něj činí jednu z nejdůležitějších částí robotické ryby. Živé ryby mají silné svaly, které mohou generovat boční pohyby pro pohyb, zatímco hlava zůstává v relativně nehybném stavu. Vědci se tedy při vývoji pohybu robotických ryb zaměřili na kinematiku ocasu.
Při studiu lokomoce robotických ryb se často používá teorie štíhlého těla . Střední rychlost práce bočních pohybů se rovná součtu střední rychlosti práce dostupné pro vytvoření středního tahu a rychlosti úbytku kinetické energie bočních pohybů tekutiny. Střední tah lze vypočítat zcela z posunutí a rychlosti plavání na zadní hraně ocasní ploutve. Tento jednoduchý vzorec se používá při výpočtu lokomoce jak robota, tak živé ryby.
Realistické pohonné systémy mohou pomoci zlepšit autonomní manévrování a vykazovat vyšší úroveň lokomoční výkonnosti. K dosažení tohoto cíle lze při tvorbě robotických ryb použít různé možnosti ploutví. Zahrnutím prsních ploutví mohou robotické ryby provádět vektorování síly a provádět složité plavecké chování namísto pouze plavání dopředu.
Řízení
.jpg)
Tvary a velikosti ploutví se u živých ryb drasticky liší, ale všechny pomáhají dosáhnout vysoké úrovně pohonu vodou. Aby robotické ryby dosáhly stejného typu rychlého a manévrovatelného pohonu, potřebují robotické ryby více ovládacích ploch. Pohonný výkon souvisí s polohou, mobilitou a hydrodynamickými charakteristikami ovládacích ploch.
Klíčem k ovládání vícekloubové robotické ryby je vytvoření zjednodušeného mechanismu, který je schopen generovat přiměřenou míru kontroly. Návrháři by měli vzít v úvahu některé důležité faktory, včetně pohybů postranního těla, kinematických údajů a anatomických údajů. Když designéři napodobují robotickou rybu typu BCF, musí tělesná vlna založená na spojení robotických ryb poskytovat pohyby podobné pohybům živé ryby. Tento druh ovládání plavání na základě tělesných vln by měl být diskrétní a parametrizovatelný pro konkrétní chůzi. Zajistit chůzi stability plavání může být obtížné a přechod mezi dvěma různými způsoby chůze může být u robotických ryb obtížný.
Centrální neurální systém známý jako „ Centrální generátor vzorů “ (CPG) může řídit robotickou lokomoci s více linkami. CPG se nachází v každém segmentu a může spojovat a stimulovat stahující nebo protahovací svaly. Mozek, nejpřednější část mozku u obratlovců, může řídit vstupy signálu pro spuštění, zastavení a otočení. Poté, co systémy vytvoří stabilní pohyb, zastaví se signál z mozku a CPG mohou produkovat a modulovat pohybové vzorce.
Podobně jako jejich role v živých rybách se neurální sítě používají k ovládání robotických ryb. Existuje několik klíčových bodů v návrhu bionických neuronových sítí. Nejprve bionická vrtule přijme jeden servomotor k pohonu kloubu, zatímco ryba má v každém kloubu dva skupinové svaly. Návrháři mohou implementovat jeden CPG v každém segmentu pro ovládání odpovídajícího spoje. Za druhé, diskrétní výpočetní model stimuluje kontinuální biologické tkáně. Nakonec doba zpoždění spojení mezi neurony určuje mezisegmentální fázové zpoždění. Funkce zpoždění ve výpočetním modelu je nezbytná.
Použití
Studium chování ryb
Dosažení konzistentní reakce je výzvou ve studiích chování na zvířatech, když se živé podněty používají jako nezávislé proměnné. K překonání této výzvy mohou být roboty použity jako konzistentní podněty pro testování hypotéz, přičemž se vyhýbají výcviku a používání velkých zvířat. Řiditelné stroje mohou být vyrobeny tak, aby „vypadaly, zněly nebo dokonce voněly“ jako zvířata. Můžeme získat lepší vnímání chování zvířat tím, že se obrátíme na používání robotů místo živých zvířat, protože roboti mohou produkovat stabilní odezvu v sadě opakovatelných akcí. Navíc díky různým nasazením v terénu a větší míře nezávislosti mají roboti příslib pomoci při studiu chování ve volné přírodě.
Hračky
Hračky robotických ryb jsou nejběžnější hračky robotů na trhu. nejčastěji se používají pro zábavu, i když některé se používají pro výzkum. Design těchto hraček je jednoduchý a levný. Obvykle jsou rozděleny do dvou kategorií: robotické ryby s automatickým tempem a robotické ryby s řízeným pohybem. Nejjednodušší jsou měkké tělo (MJ), motor (ocas) a hlava (základní elektrický ovládací prvek). Používají baterii k zajištění energie pro motor k výrobě pohybu a pomocí systémů dálkového ovládání k dosažení síly řízení. Naproti tomu složitost hraček a robotických ryb je za účelem výzkumu téměř stejná. Jsou nejen plně automatizované, ale mohou simulovat chování ryb. Pokud například s robotickou rybou vložíte do vody cizí předmět, vyprodukuje to pohyb podobný skutečné rybě. Odkloní se od cizího předmětu a rychlost plavání se zvýší. Vykazuje stav šoku a zmatku pro cizí předmět podobně jako skutečná ryba. Robotické ryby zaznamenávají tento typ chování předem.
Aplikace na AUV
V oblasti výzkumu vzrůstá znepokojení vojenské obrany a ochrany moří. Jak se mise stávají komplikovanějšími, stává se nezbytným vysoce výkonné autonomní podvodní vozidlo (AUV). AUV vyžadují rychlý pohon a vícesměrovou manévrovatelnost. Robotické ryby jsou kompetentnější než současné AUV poháněné pohybem, protože ryba je paradigmatem biologicky inspirovaného AUV. Stejně jako živé ryby mohou i robotické ryby fungovat ve složitém prostředí. Mohou nejen provádět podvodní průzkum a objevovat nové druhy, ale mohou také zachránit a zřídit podvodní zařízení. Při provozu v nebezpečných prostředích vykazují robotické ryby vyšší výkon ve srovnání s jinými stroji. Například v korálové zóně se měkké robotické ryby lépe vyrovnají s prostředím. Na rozdíl od stávajících AUV, které jsou nepružné, mají robotické ryby přístup do úzkých jeskyní a tunelů.
Vzdělání
Kromě obrovského potenciálu pro výzkum mají robotické ryby také mnoho příležitostí k zapojení studentů a široké veřejnosti. Biologicky inspirované roboty jsou cenné a efektivní a mohou studenty přilákat do různých oblastí vědy, techniky, inženýrství a matematiky. Robotické ryby se používají jako pomocné vzdělávací nástroje po celém světě. Například tisíce mladých lidí přilákaly roboty podobné kaprům během nedávné výstavy v londýnském akváriu. Vědci a další vědci představili různé druhy robotických ryb na mnoha informačních programech, včetně prvního a druhého amerického vědeckého a technického festivalu v letech 2010 a 2012. Na těchto akcích dostali návštěvníci příležitost nejen vidět robotické ryby v akci, ale také komunikovat s členy laboratoře, aby porozuměli technologii a jejím aplikacím.
Příklady
- V 90. letech postavil Úřad CIA pro moderní technologie robotického sumce jménem „Charlie“ jako součást studie proveditelnosti bezpilotních podvodních vozidel . Robot byl navržen tak, aby sbíral podvodní inteligenci a vzorky vody, zatímco zůstal nezjištěný, a byl řízen přímým bezdrátovým bezdrátovým sluchátkem.
- RoboTuna je robotický ryba s tvarem a funkcí reálného tuňáka, který byl navržen a postaven týmem vědců z Massachusetts Institute of Technology (MIT). Má komplikovaný systém lan a kladek z nerezové oceli, které fungují jako svaly a šlachy. Vnější tělo je tvořeno pružnou vrstvou pěny pokryté Lycrou, elastickým polyuretanovým vláknem, které napodobuje pružnost a hladkost kůže tuňáka. Je řízen šesti výkonnými servomotory s výkonem vždy dva koňské síly. Může upravovat své pohyby v reálném čase díky silovým snímačům umístěným na straně žeber, které robotovi poskytují nepřetržitou zpětnou vazbu.
- Robot Pike je první volně plavecká robotická ryba na světě navržená a vyrobená týmem vědců z MIT. Je řízen lidským zásahem. Složitý počítačový systém interpretuje příkazy a vrací signály do každého motoru robotické ryby. Má kůži složenou ze silikonového kaučuku a pružinový exoskeleton ze skleněných vláken, díky nimž je robot flexibilní. Dokáže ve vodě zrychlit rychlostí osm až dvanáct m / s, ale nevyhne se překážkám, protože není vybavena senzory.
- Robotická ryba Essex byla postavena vědci na univerzitě v Essexu. Může plavat samostatně jako skutečná ryba a dosáhnout různých typů posunutí. Má čtyři počítače, pět motorů a více než deset senzorů umístěných na různých místech těla. Může plavat kolem nádrže a vyhýbat se předmětům a může se také přizpůsobit nejistým a nepředvídatelným podnětům ve svém prostředí. Má mít širokou škálu použití, včetně průzkumu mořského dna, detekce úniků z ropovodů, průzkumu mořského života a špionáže.
- Jessiko je podvodní robot vytvořený francouzskou začínající společností Robotswim. Je jen 22 cm dlouhý, což z něj činí jednu z nejmenších robotických ryb na světě. Ovládání je velmi snadné, může cestovat dozadu, měnit barvy a napodobovat výkon živých ryb. Díky těmto funkcím může sdílet emoce a dokonce komunikovat s lidmi. Vykazuje umělou inteligenci a potenciální využití komunikace, což mu dává schopnost plavat s více než deseti rybami a vytvářet vzrušující choreografii a světelné efekty pomocí ploutví k navigaci po vodě. Ukázalo se, že malá robotická ryba může plavat autonomně celé hodiny.
- Robotická ryba SPC-03 byla navržena Čínskou akademií věd (CASIA). Může plavat 1,23 metru od řídícího zdroje ve vodě. Je stabilní, má částečnou konstrukci a je dálkově ovládán techniky. Může pracovat 2 až 3 hodiny ponořené při maximální rychlosti 4 km / h. Ryby mohou pořizovat a přenášet fotografie, provádět kartografii podvodních fondů a přepravovat malé předměty.
- Robotický koi byl navržen a vyvinut společností Ryomei Engineering v Hirošimě v Japonsku. Má 80 centimetrů a váží 12 kg a je dálkově ovládán. Robotický koi lze použít ke studiu koncentrace kyslíku ve vodě prostřednictvím senzorů umístěných na jeho ústech. Může shromažďovat informace o ostatních druzích v jeho prostředí tak, že mezi nimi plave a podává zprávy o zdraví ryb. Je vybaven kamerou a dokáže zaznamenávat zdroje přítomné v hlubinách vody. Mohlo by to být také použito k průzkumu poškození mostů a ropných plošin pod vodou.
- V roce 2014 vyvinuli iSplash- II doktorand Richard James Clapham a profesor Huosheng Hu na univerzitě v Essexu. Byla to první robotická ryba, která dokázala překonat skutečné ryby carangiform, ryba, která mírně pohybuje hlavou, ale vytváří značnou amplitudu pohybu směrem k ocasu, pokud jde o průměrnou maximální rychlost (měřenou v délkách těla / sekundu) a vytrvalost. iSplash -II dosáhl rychlosti plavání 11,6 BL / s (tj. 3,7 m / s). První sestava , iSplash -I (2014), byla první robotickou platformou, která použila celotělový plavecký pohyb carangiform , u kterého bylo zjištěno, že zvyšuje rychlost plavání o 27% oproti tradičnímu přístupu zadního omezeného tvaru vlny.