Автор статьи — Франческо Джорджио-Серки, научный сотрудник кафедры робототехники и автономных систем в Эдинбургском университете. Немногочисленные не тронутые человеком участки дикой природы располагаются в том числе под водой. Однако некоторые из них находятся под угрозой из-за глубоководной добычи полезных ископаемых. При строительстве и эксплуатации нефтяных вышек и морских ветряных электростанций разрушаются богатые экосистемы. Робототехники и инженеры работают над решением этой проблемы, ища новые способы создания машин, которые могли бы помочь в ремонте, обслуживании и осмотре подводных компонентов объектов активно растущей морской энергетической индустрии. Под руководством коллег Тьерри Бужара и Габриэля Веймута из Саутгемптонского университета моя команда нашла решение этой проблемы, разработав подводных роботов, вдохновленных самыми эффективными водными животными в природе — лунными медузами. Стандартные водные роботы предназначены для двух основных целей: эффективной навигации на больших расстояниях в открытых водных пространствах и решения задач, требующих маневренности вблизи подводных сооружений. Обычно роботы строго специализированы и проявляют себя эффективно при решении лишь одной из этих задач. Это значит, что большинство водных роботов неуклюжи и неповоротливы, они не способны одновременно помогать людям и не вредить подводным экосистемам. Действительно, с распространением индустрии добычи глубоководных полезных ископаемых на более хрупкие среды даже самые современные морские роботы с трудом справляются со своими задачами. В настоящее время проводится множество исследований в области разработки автономных глубоководных роботов, а такие проекты, как Xprize, предлагают финансирование наиболее интересных идей. Морские машины Чтобы ответить на эти вызовы, инженеры обратились к биологии. Они хотели вдохновиться новыми формами, которые можно было бы применить в проектировании роботов. Логично, что после миллионов лет эволюции водные существа должны были выработать модели, которые помогут устранить недостатки современных подводных роботов. Метод плавания рыб, основанный на толчках плавников, стал источником вдохновения для тех, кто экспериментирует с новыми подводными транспортными средствами. Однако импульсно-струйный способ плавания, которому отдают предпочтение медузы, считается самым эффективным в мире подводным двигательным механизмом и предлагает более убедительное технологическое решение, которое робототехникам гораздо легче имитировать. Импульсно-струйное движение основано на циклическом расширении и сжатии полости тела медузы. Эта система заставляет медузу заглатывать и выталкивать воду, что и дает ей движущую силу. Несмотря на свою простоту, такая стратегия плавания позволяет добиться невероятной маневренности, а также высокой энергоэффективности. Самый быстрый кальмар может перемещаться со скоростью до 8 м/с с помощью импульсно-струйного метода, а медуза Aurelia aurita (также известная как лунная медуза) считается самым эффективным пловцом на планете. Копируя эти организмы при создании подводных роботов, мы сможем создать новые прототипы, способные сочетать высокую маневренность с непревзойденной эффективностью. В нашем недавнем исследовании мы разработали нового робота, вдохновленного дикой природой, который может сравниться с Aurelia aurita по эффективности передвижения под водой. Для этого мы имитировали ключевой принцип, который позволяет медузам достигать высокой пропульсивной эффективности — резонанс. Резонансная робототехника Резонанс — это физическое явление, часто встречающееся во многих повседневных действиях, таких как ходьба, катание на качелях и даже пение. Например, если мы наблюдаем за качающимся маятником, то по опыту знаем, что он будет продолжать колебаться до тех пор, пока не придет в состояние покоя, зависнув в вертикальном положении, определяемом силой тяжести. Частота, с которой колеблется маятник, называется его «собственной частотой». Из опыта мы также знаем, что если нужно, чтобы маятник продолжал колебаться, то проще всего добиться этого, подталкивая его каждый раз, когда он достигает высшей точки своего колебания, подобно тому, как мы подталкиваем ребенка, качающегося на качелях. Делая это, мы позволяем объекту войти в резонанс. Итак, резонанс возникает, когда внешняя сила воздействует на объект на его собственной частоте, заставляя его совершать колебания с большей амплитудой при малой доле необходимой силы. Именно это делает работу в резонансе такой эффективной. Мы применили тот же принцип к движению нашего робота, вдохновленного медузой. Мы предположили, что, создав робота-медузу с упругой двигательной системой, сможем использовать собственную частоту этой системы, чтобы привести механизм в резонанс. В резонансе наш робот будет выпускать мощные импульсные струи при меньших затратах энергии. Разработанный нами робот имеет эластичную внутреннюю камеру, которая расширяется и сжимается под действием зонтикоподобного механизма. При тестировании в резервуаре с водой было обнаружено, что робот увеличивает скорость плавания по мере того, как скорость импульсов приближается к собственной частоте упругой камеры робота. Это доказывает, что наш робот-медуза достигает резонанса. Эффективность системы, которая приводит себя в движение, будь то механическая или биологическая система, основана на уравнении, в котором сочетаются поглощаемая мощность, скорость системы и ее масса. Когда это уравнение применили к нашему роботу, выяснилось, что он ничем не уступает медузе Aurelia aurita. Это поразительный результат, имеющий двоякое значение. С одной стороны, он демонстрирует, что механическая система способна достичь пропульсивной эффективности лучших пловцов природы. С другой стороны, наш робот объяснил метод плавания своих живых «собратьев» — что теперь может помочь биологам изучать медуз и кальмаров с совершенно новой точки зрения. Таким образом, наш робот-медуза представляет собой прототип динамичного и эффективного подводного робота, который в один прекрасный день может быть применен в индустрии морских ветряных электростанций для обслуживания объектов ее инфраструктуры, расположенных глубоко под водой. По материалам статьи «Robot jellyfish could help service offshore windfarms» The Conversation