Lionfish ui virtaa vasten, hännänsa liikkuu kuin heiluri hidastettuna. Mutta tämä kala ei ole kuin kylmäverinen kollegansa. Se on robotti, ja sen sijaan, että veri juoksee suoneidensa läpi, se kiertää energiatiheää nestettä molemmille paristojen syöttämiseksi ja evien työntämiseksi. Robotti, jota kuvataan tänään Nature- lehdessä , saattaa olla ensimmäinen askel ratkaista kaksi robotiikan suurta estettä - voima ja hallinta - yhdellä ratkaisulla. Ja kiitos siitä, että energinen neste pumppaa pseudovaskulaarisen järjestelmänsä läpi, tämä robotti saattaa olla hiukan enemmän kuin me.
Robotit eivät yleensä toimi samalla tavalla kuin elävät asiat. Monimutkaisten osien monimutkaisen verkon sijaan robotit tehdään yleensä erillisistä komponenteista, jotka toimivat yhdellä tarkoituksella, selittää uuden tutkimuksen päätutkija, Cornellin yliopiston koneinsinööri Robert Shepherd. Niillä voi esimerkiksi olla yksi järjestelmä osoittamaan valtaa ja toinen hallintaan liike, joka ei aina ole tehokasta. Sitä vastoin ihmisen verenkiertoelin on monitoiminen: se pumppaa verta kehomme läpi, ja se auttaa säätelemään kehon lämpötilaa ja kuljettaa soluja tartuntojen torjumiseksi.
Luonnossa on esimerkkejä verenkiertoelimistä, jotka ovat jopa tehokkaampia kuin omat. Itse asiassa Shepherdin alkuperäinen inspiraatio robo-lionfishille ei ollut oikeastaan paljon uimareita. Pikemminkin häntä kiehtoi korkealla lentävä baarimäkän jumalattu, muuttolintu, jota hän kutsuu “superurheilijaksi”. Kumiripala voi lentää viikon pysähtymättä, mutta kaksinkertaistaa ensin rasvan painon ennen valmistelua lentoon.
"Se, että todella kiinni minussa, että voit lisätä energiaa eläimeen monitoiminnallisella tavalla - sekä lämmöneristyksen että energian varastoinnin, ja jakaa sen sitten tehokkaalla tavalla", Shepherd sanoo. "Jos vertaat tätä [robottien] akkuihimme, ne eivät yleensä suorita mitään muuta kuin energian tarjoamista ja painon lisäämistä."
Tätä ajatellen Shepherd pohti, olisiko olemassa tapa saada robotit paristoihin hallitsemaan menestyksekkäästi sekä virtaa että ohjausta. Monet robotit pumppaavat jo hydraulisia nesteitä, kuten vettä, järjestelmiensä kautta kohdistaakseen voiman, joka liikuttaa joitain niiden osia. Jos ne voisivat korvata tyypillisen hydraulinesteen energiaa varastoivalla, hän ajatteli, että neste voisi sitten tehdä enemmän kuin vain helpottaa mekaanista liikettä. Monitoimisen hydraulijärjestelmän käyttö voi myös säästää energiaa pitkällä tähtäimellä, koska perinteiset robotit, joissa on kiinteät akut, tarvitsevat usein ylimääräisiä akkuja pitkäaikaiseen käyttöön, mikä lisää ylimääräistä painoa ja vähentää suorituskykyä.
Paimen ja hänen tiiminsä, jotka ovat hakeneet patenttia suunnittelulleen, käyttivät ns. Sinkkijodidiredox -virta-akkuja, joissa on nestemäinen elektrolyyttiliuos, joka toimii energiavarana. Energiarikas neste myötävaikuttaa kemiallisiin reaktioihin, jotka lataavat akun, samalla kun se toimii hydraulisena nesteenä, joka kiertää lionfishin läpi ja liikuttaa evänsä. Liian sallimiseksi evät on tehty joustavista elektrodoista ja pehmeästä silikonikuoresta. Hydraulinesteen pumppaaminen häntäevän toiselle puolelle täyttää ihon ja saa evän taipumaan jäykämpien keskiosien ympärille toista puolta kohti. Nesteen suunnan kääntäminen taipuu evää toisinpäin, jolloin kalat voivat uida nesteen värähteleessä. Rintaevät saavat myös nestettä ja ne voivat tuuleta ulospäin jäljittelemällä evien liikkeitä, joita lionfish käyttää kommunikointiin.
Sijoittamalla leijonakalvon suolavesisäiliöön, joukkue havaitsi, että robotti pystyi uimaan virtausta vastaan. Kokeissa he antoivat robotin uida korkeintaan kaksi tuntia, mutta laskivat, että se voisi teoriassa toimia jopa 36 tuntia. He arvioivat myös, että robotin energiatehokkuus oli noin kolme-neljä kertaa parempi kuin perinteisessä mallissa, jossa käytetään normaalia hydraulinestettä kuten vettä.
Shepherd selittää, että kiinteiden paristojen monitoiminen käyttö ei ole uutta. Esimerkiksi haarukkatrukin akut toimivat energianlähteenä, samalla kun ne tarjoavat myös painoa koneen vakauttamiseksi raskaan nostamisen aikana. Mutta nestemäisten paristojen monipuolista käyttöä ei ole tutkittu tähän mennessä. "Nyt kun idea on siellä", Shepherd sanoo, "Toivomme, että kun ihmiset käyttävät hydrauliikkaa, he voivat kysyä:" Voinko korvata hydrauliöljyn elektrolyyttisellä nesteellä - onko sillä järkevää tiheämpi neste järjestelmässäni? '”
"Idea nesteen käytöstä akkuna on todella hieno", sanoo Robert Katzschmann ETH Zürichistä, robotti, joka on työskennellyt muiden robottikalojen parissa, mutta ei ollut mukana tässä tutkimuksessa. Katzschmann pitää kuitenkin huolta akun tehokkuudesta ja korostaa, että konsepti voisi olla parempi esillä vedestä, missä kiinteiden akkujen ylimääräisen painon välttäminen tulee kriittiseksi ilman kelluvuuden apua.
"Teoriassa se on hienoa, koska voit tehdä robotin, joka ei ole vedenalainen", Katzschmann sanoo. ”Jos haluat tehdä kävelyrobotin, se on hieman vaikeampaa. Ja kukaan ei ole osoittanut täysin pehmeää robottia, joka voi lentää, joten on järkevää näyttää se vedenalaisena ideana, mutta heidän on vielä tehtävä paljon työtä. "
Paimen on optimistinen pariston parannuksen suhteen. Hän korostaa, että heidän akunsa kemikaaleja on turvallista käsitellä, mutta ”ei niin energiatiheä kuin se voisi olla”.
"Haasteena on lisätä energiatiheyttä ja olla samalla turvallinen", hän sanoo. ”Tiedämme minne se voi mennä, mutta meidän on mentävä sinne varovaisemmin.” Ja kuten Katzschmann, hän ajattelee tämän työn myötävaikuttavan tulevaisuuden robotteihin maalla, joita voidaan mahdollisesti käyttää etsintä- ja pelastustehtävissä. "Olemme tehneet joustavan järjestelmän, joten muoto, johon tällä hetkellä rajoitat, voi muuttua", Shepherd lisää. "Tietysti tulevaisuus on hybridijärjestelmiä, ainakin maanpäällisissä järjestelmissä ... joissa pehmeitä osia käytetään havaitsemiseen ja päällekkäin sähkömekaanisten ja nestemäisten toimilaitteiden kanssa."
Vaikka pehmeän robotiikan alalla on tehtävä paljon edistysaskeleita, Shepherdin lionfish ehdottaa, että ainakin toistaiseksi asiat liikkuvat uima-altaan sujuvasti.
