A halak gyorsan és fürgén mozognak a vízben, képesek hirtelen irányt változtatni egyetlen uszonylendítéssel. Ez a természetes mozgásforma inspirálta a kutatókat, hogy hasonló képességekkel ruházzák fel a víz alatti robotokat. Egy kínai kutatócsoport jelentős előrelépést ért el egy rugalmas elektromágneses uszony kifejlesztésével, amely képes egy víz alatti robotot akár 405 milliméter per másodperc sebességgel – azaz 1,66 testhossznyi távolságot – mozgatni. Emellett az eszköz rendkívül kis fordulókörrel, mindössze 0,86 testhossznyi sugárral képes irányt változtatni.
A kutatás háttere és célja
Fanghao Zhou, a Zhejiang Egyetem Állami Kulcs Laboratóriumának munkatársa és az óceánérzékelés szakértője vezette a projektet. Zhou kiemelte, hogy a halak mozgása nemcsak fürge és hatékony, hanem rendkívül alkalmazkodóképes is. Ezeknek a tulajdonságoknak a robotikai megvalósítása azonban komoly kihívást jelent.
„A hagyományos motorral hajtott robotikus uszonyok erős tolóerőt képesek generálni, de gyakran nagyok és merevek,” magyarázza Zhou. „Ezzel szemben a puha aktuátorok rugalmasak ugyan, de általában túl gyengék ahhoz, hogy praktikusak legyenek. Célunk az volt, hogy ötvözzük mindkét megközelítés előnyeit: egy kompakt, erős és mégis rugalmas aktuátort hozzunk létre, amely valódi izomként működik.”
Az új típusú uszony megalkotása
A kutatócsoport egy olyan rugalmas elektromágneses uszonyt tervezett, amely egy elasztikus csuklóval rendelkezik, így kis súrlódással tud hátra- és előre lendülni. Az eszköz két apró tekercsből és gömb alakú mágnesekből áll. Amikor váltakozó áram halad át a tekercseken, oszcilláló mágneses mezőt hoz létre, amely az uszonyt úgy mozgatja, mint egy hal farkát.
Az elektromágneses mező szüneteltetésekor az uszony visszatér nyugalmi helyzetébe. Ez a mechanizmus lehetővé teszi az uszony folyamatos és kontrollált mozgását.
Kísérleti eredmények és modellezés
A csapat medencében tesztelte az új bionikus uszonyt. Zhe Wang, Zhou doktori hallgatója hangsúlyozta, hogy nemcsak sikerült működésre bírniuk az eszközt víz alatt, hanem kidolgoztak egy matematikai modellt is, amely összekapcsolja az elektromos bemenetet a hidrodinamikai tolóerővel.
„Ez azt jelenti, hogy kizárólag az áram bemeneti paraméterei alapján meg tudjuk jósolni az uszony viselkedését víz alatt – ami ritka eredmény a puha robotikában,” mondta Wang.
A kísérletek során nagysebességű kamerával és precíziós erőmérő szenzorral mérték az uszony mozgását és által generált tolóerőt. Az eredmények szerint az uszony csupán 17 grammos tömege ellenére akár 0,493 newton csúcsteljesítményű tolóerőt is képes volt előállítani.
A rendszer előnyei és fejlesztési irányok
Zhou kiemelte, hogy a rendszer kicsi, könnyű és erős – ráadásul könnyen skálázható több-uszonyos rendszerekhez is. Ugyanakkor jelenlegi formájában még jelentős energiafogyasztással jár:
- Magas áramfelvétel: Az elektromágneses tekercsek nagy áramot igényelnek.
- Korlátozott működési idő: Az energiaigény miatt rövid ideig tud úszni folyamatosan.
A kutatók ezért olyan megoldásokat keresnek, amelyek csökkentik az energia veszteséget. Ilyenek például:
- A tekercsek geometriai optimalizálása;
- Energia-visszanyerő áramkörök alkalmazása;
- Okos vezérlési stratégiák bevezetése, amelyek nem igényelnek folyamatos gerjesztést.
Alkalmazási lehetőségek és jövőbeli fejlesztések
A kutatócsoport szerint ez a technológia számos területen hasznosítható lesz:
- Vízi felfedezés: Mélytengeri vagy nehezen hozzáférhető helyek feltérképezése;
- Környezeti monitoring: Ökológiai állapotfelmérés;
- Biztonságos vizsgálatok: Korallzátonyok és tengeri élőlények kíméletes megfigyelése.
Zhe Wang elmondta: „Következő lépésként több uszonnyal koordinált mozgást fogunk tanulmányozni, hogy még rugalmasabb és élethűbb úszási viselkedést érjünk el.” Emellett dolgoznak az energiahatékonyság javításán, az üzemidő növelésén és a rendszer további miniaturizálásán is annak érdekében, hogy kis autonóm vízalatti platformokon is alkalmazható legyen.
Tudományos publikáció
A kutatás részleteit bemutató tanulmány 2023. szeptember 4-én jelent meg az IEEE Robotics and Automation Letters folyóiratban.
Ezzel a fejlesztéssel közelebb kerülünk ahhoz, hogy a természet legjobb megoldásait felhasználva még hatékonyabb és sokoldalúbb víz alatti robotokat alkossunk – amelyek nemcsak gyorsak és fürgék lesznek, hanem környezetbarát módon is működhetnek majd.
Forrás: https://spectrum.ieee.org/underwater-robot-electromagnetic-fin