Un equipo de investigadores ha batido su propio récord como el robot blando que nada más rápido, inspirándose en las mantarrayas para mejorar su capacidad para controlar el movimiento del robot en el agua.
«Hace dos años, demostramos un robot acuático blando que era capaz de alcanzar velocidades promedio de 3,74 longitudes corporales por segundo», dice Jie Yin, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en Carolina del Norte. Universidad Estatal. «Hemos mejorado ese diseño. Nuestro nuevo robot blando es más eficiente energéticamente y alcanza una velocidad de 6,8 longitudes de cuerpo por segundo. Además, el modelo anterior sólo podía nadar en la superficie del agua. Nuestro nuevo robot es capaz de nadar arriba y abajo a lo largo de la columna de agua.»
El robot blando tiene aletas con forma de mantarraya y está hecho de un material que es estable cuando las aletas están extendidas. Las aletas están unidas a un cuerpo de silicona flexible que contiene una cámara que se puede bombear llena de aire. Inflar la cámara de aire obliga a las aletas a doblarse, de forma similar al movimiento hacia abajo cuando una manta bate sus aletas. Cuando el aire sale de la cámara, las aletas vuelven espontáneamente a su posición inicial.
«Bombear aire a la cámara introduce energía en el sistema», dice Haitao Qing, primer autor del artículo y Ph.D. estudiante en NC State. «Las aletas quieren volver a su estado estable, por lo que al liberar el aire también se libera la energía en las aletas. Eso significa que sólo necesitamos un actuador para el robot y permite una actuación más rápida».
El estudio de la dinámica de fluidos de las mantarrayas también jugó un papel clave en el control del movimiento vertical del robot blando.
«Observamos el movimiento de natación de las mantarrayas y pudimos imitar ese comportamiento para controlar si el robot nada hacia la superficie, nada hacia abajo o mantiene su posición en la columna de agua», dice Jiacheng Guo, coautor del estudio. artículo y un doctorado. estudiante de la Universidad de Virginia. «Cuando las mantarrayas nadan, producen dos chorros de agua que las mueven hacia adelante. Las mantas alteran su trayectoria alterando su movimiento de natación. Adoptamos una técnica similar para controlar el movimiento vertical de este robot nadador. Todavía estamos trabajando en técnicas que «Nos dará un buen control sobre los movimientos laterales».
«Específicamente, las simulaciones y experimentos nos mostraron que el chorro descendente producido por nuestro robot es más poderoso que su chorro ascendente», dice Yuanhang Zhu, coautor del artículo y profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de California, Riverside. «Si el robot agita sus aletas rápidamente, se elevará hacia arriba. Pero si reducimos la frecuencia de actuación, esto permite que el robot se hunda ligeramente entre cada movimiento de sus aletas, permitiéndole sumergirse hacia abajo o nadar a la misma profundidad. «
«Otro factor que entra en juego es que estamos alimentando este robot con aire comprimido», dice Qing. «Eso es relevante porque cuando las aletas del robot están en reposo, la cámara de aire está vacía, lo que reduce la flotabilidad del robot. Y cuando el robot agita sus aletas lentamente, las aletas están en reposo con mayor frecuencia. En otras palabras, cuanto más rápido aletea el robot sus aletas, más tiempo está llena la cámara de aire, haciéndola más flotante».
Los investigadores han demostrado la funcionalidad del robot blando de dos maneras diferentes. Primero, una iteración del robot fue capaz de sortear un recorrido de obstáculos dispuestos en la superficie y el suelo de un tanque de agua. En segundo lugar, los investigadores demostraron que el robot sin ataduras era capaz de transportar una carga útil sobre la superficie del agua, incluyendo su propia fuente de aire y energía.
«Este es un diseño de alta ingeniería, pero los conceptos fundamentales son bastante simples», dice Yin. «Y con una sola entrada de actuación, nuestro robot puede navegar en un entorno vertical complejo. Ahora estamos trabajando para mejorar el movimiento lateral y explorar otros modos de actuación, lo que mejorará significativamente las capacidades de este sistema. Nuestro objetivo es hacer esto con un diseño que conserva esa elegante simplicidad.»
El artículo, «Flujos de chorro inducidos por chasquidos espontáneos para nadadores de aleteo suave, rápido y maniobrable en superficie y bajo el agua», se publica en acceso abierto en la revista. Avances científicos. El artículo fue escrito en coautoría por Yinding Chi y Yaoye Hong, ex Ph.D. estudiantes de NC State; y por Daniel Quinn y Haibo Dong de UVA.
Este trabajo se realizó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias bajo las subvenciones 2126072 y 2329674; y de la Oficina de Investigaciones Navales bajo la subvención N00014-22-1-2616.
