Robotic Fish Tail 777x360 1 2
Thông tin công nghệ

Bí mật về cách bơi hiệu quả cao được hé lộ để thiết kế máy bay không người lái dưới nước thế hệ tiếp theo

Cá được cho là có thể điều chỉnh độ cứng của đuôi để bơi hiệu quả trong nhiều tốc độ khác nhau, nhưng chúng điều chỉnh độ cứng như thế nào và khi nào vẫn còn là một bí ẩn. Một mô hình được tạo ra bởi các nhà nghiên cứu của Trường Kỹ thuật Đại học Virginia kết hợp giữa robot, động lực học chất lỏng và cơ sinh học đã tiết lộ bí mật của việc điều chỉnh độ cứng và cho phép một robot giống cá bơi hiệu quả hơn nhiều so với một con cá không có đuôi có thể điều chỉnh được. Tín dụng: Dan Quinn và Qiang Zhong

Các nhà nghiên cứu của Trường Kỹ thuật Đại học Virginia đã khám phá ra bí mật của việc bơi lội hiệu quả cao ở các tốc độ khác nhau. Một chiếc đuôi cá rô bốt và một tỷ lệ toán học thanh lịch có thể thông báo cho thiết kế của các máy bay không người lái dưới nước thế hệ tiếp theo.

Các phương tiện dưới nước thường được thiết kế cho một tốc độ hành trình và chúng thường kém hiệu quả ở các tốc độ khác. Công nghệ còn thô sơ so với cách bơi của cá, nhanh hay chậm.

Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn muốn phương tiện dưới nước của mình di chuyển nhanh qua hàng dặm đại dương, sau đó giảm tốc độ để lập bản đồ một rạn san hô hẹp hoặc tăng tốc đến vị trí xảy ra sự cố tràn dầu rồi tăng ga trở lại để thực hiện các phép đo cẩn thận?

Dan Quinn, một trợ lý giáo sư tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Đại học Virginia, và đồng nghiệp của ông, Tiến sĩ UVA gần đây. nhà nghiên cứu tốt nghiệp và sau tiến sĩ Qiang Zhong, đã phát hiện ra một chiến lược quan trọng để thực hiện các loại nhiệm vụ đa tốc độ này. Họ đã chứng minh một cách đơn giản để thực hiện chiến lược này trong robot, cuối cùng có thể cung cấp thông tin về thiết kế phương tiện dưới nước. Công trình của họ gần đây đã được xuất bản trên Science Robotics.

Khi thiết kế rô bốt biết bơi, một câu hỏi liên tục đặt ra cho các nhà nghiên cứu là bộ phận đẩy rô bốt trên mặt nước phải được tạo ra có độ cứng như thế nào. Đó là một câu hỏi khó, bởi vì cùng một độ cứng hoạt động tốt trong một số tình huống có thể thất bại thảm hại ở những tình huống khác.

“Có một độ cứng ở đuôi giống như có một tỷ số truyền trên một chiếc xe đạp,” Quinn, người giữ các cuộc hẹn chung về kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ và kỹ thuật điện và máy tính cho biết. “Bạn sẽ chỉ hiệu quả ở một tốc độ. Nó sẽ giống như đạp xe xuyên San Francisco bằng một chiếc xe đạp có bánh răng cố định; bạn sẽ kiệt sức chỉ sau một vài khối. “

Có khả năng cá giải quyết vấn đề này bằng cách điều chỉnh độ cứng của chúng trong thời gian thực: Chúng quay ở các mức độ cứng khác nhau tùy thuộc vào tình huống.

Vấn đề là, không có cách nào để đo độ cứng của một con cá đang bơi, vì vậy rất khó để biết liệu cá có đang làm điều này hay không và bằng cách nào. Quinn và Zhong đã giải quyết vấn đề này bằng cách kết hợp động lực học chất lỏng và cơ sinh học để tạo ra một mô hình về cách thức và lý do tại sao nên điều chỉnh độ cứng của đuôi.

“Thật ngạc nhiên,” Quinn nói, “một kết quả đơn giản rút ra từ tất cả các phép toán: Độ cứng sẽ tăng lên khi bình phương tốc độ bơi.

“Để kiểm tra lý thuyết của mình, chúng tôi đã chế tạo một robot giống cá sử dụng một sợi gân nhân tạo có thể lập trình để điều chỉnh độ cứng đuôi của chính nó khi bơi trong kênh nước. Điều đã xảy ra là đột nhiên robot của chúng ta có thể bơi trên một phạm vi tốc độ rộng hơn trong khi sử dụng gần một nửa năng lượng so với cùng một robot có đuôi cứng cố định. Sự cải thiện thực sự khá đáng kể. ”

Zhong cho biết: “Công trình của chúng tôi là công trình đầu tiên kết hợp cơ sinh học, động lực học chất lỏng và robot để nghiên cứu toàn diện độ cứng của đuôi, giúp khám phá bí ẩn về độ cứng của đuôi ảnh hưởng đến hiệu suất bơi lội như thế nào”. “Điều tuyệt vời hơn nữa là chúng tôi không chỉ tập trung vào phân tích lý thuyết mà còn đề xuất một hướng dẫn thực hành cho độ cứng có thể điều chỉnh được. Chiến lược độ cứng có thể điều chỉnh được đề xuất của chúng tôi đã chứng minh hiệu quả trong các nhiệm vụ bơi thực tế, nơi một con cá rô bốt đạt được tốc độ cao và bơi hiệu quả cao đồng thời ”.

Bây giờ nhóm nghiên cứu đã mô hình hóa những lợi ích của độ cứng có thể điều chỉnh được, họ sẽ mở rộng mô hình của mình sang các kiểu bơi khác. Robot đầu tiên được thiết kế giống như một con cá ngừ; bây giờ nhóm đang suy nghĩ về cách họ có thể mở rộng quy mô thành cá heo hoặc xuống nòng nọc. Họ cũng đang chế tạo một robot mô phỏng chuyển động của cá đuối gai độc.

“Tôi không nghĩ rằng chúng ta sẽ sớm hết dự án. Mỗi loài động vật dưới nước mà chúng tôi đã xem xét đều cho chúng tôi những ý tưởng mới về cách chế tạo robot bơi tốt hơn. Và có rất nhiều cá ở biển, ”Quinn nói.

Tham khảo: “Độ cứng có thể điều chỉnh cho phép các robot giống cá bơi nhanh và hiệu quả” của Q. Zhong, J. Zhu, FE Fish, SJ Kerr, AM Downs, H. Bart-Smith và DB Quinn, 11 tháng 8 năm 2021, Science Robotics .
DOI: 10.1126 / scirobotics.abe4088

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.