로봇 해파리는 해상 풍력 발전 단지에 서비스를 제공 할 수 있습니다
우리 로봇은 일반적인 달 해파리에서 영감을 받았습니다. Willyam Bradberry / Shutterstock 

지구상의 깨끗하고 손길이 닿지 않은 야생의 마지막 지역 중 일부는 바다 아래에 존재합니다. 그러나 이러한 해양 생태계는 심해 채광 프로젝트, 석유 굴착 장치 및 해상 풍력 발전소의 위협을 받고 있습니다. 이러한 시설이 건설되고 유지 될 때 주변의 풍부한 생태 네트워크를 손상시키는 경향이 있습니다.

로봇 공학자와 엔지니어는 성장하는 해양 산업의 해저 구성 요소를 수리, 유지 관리 또는 검사하는 데 도움이 될 수있는 기계를 만드는 새로운 방법을 모색하면서이 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 사우 샘프 턴 대학의 동료 인 Thierry Bujard와 Gabriel Weymouth가 이끄는 제 팀은 해결책을 찾았다 이 문제를 해결하기 위해 자연에서 가장 똑똑한 수영 선수 인 초 효율적인 달 해파리에서 영감을받은 수중 로봇을 설계했습니다.

기존의 수중 로봇은 두 가지 주요 목적을 위해 설계되었습니다. 장거리 항법 개방 된 물을 가로 질러 수중 구조물 근처에서 높은 기동성이 필요한 작업에 적합합니다. 두 가지 유형의 로봇 모두 효과적이지만 효율적인 이동과 높은 기동성을 결합한 로봇은 거의 없습니다. 즉, 대부분의 수중 로봇은 해저 환경을 해치지 않으면 서 해양 산업을 지원하기에는 너무 서투르고 투박합니다.

실제로 해상 개발이 점점 더 취약한 환경으로 확장됨에 따라 최첨단 해양 로봇조차도 임무의 복잡성에 대처하기 위해 고군분투하고 있습니다. 현재 많은 연구가 다음과 같은 이니셔티브를 통해 자율 심해 로봇을 개발하고 있습니다. 엑스프라이즈 가장 흥미로운 아이디어에 자금을 제공합니다.


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해양 기계

이러한 도전에 대응하기 위해 엔지니어들은 새로운 형태의 로봇 수중 추진력을 고취하기 위해 생물학을 연구했습니다. 수백만 년의 진화 끝에 수중 생물은 현재 수중 로봇 작물의 약점을 해결하는 데 도움이되는 모델을 제공해야합니다.

서로 다른 지느러미가 펄럭이는 물고기의 수영 모드는 이들에게 영감을주는 주요 원천이되었습니다. 새로운 수중 차량 실험. 그러나 해파리가 선호하는 펄스 제트 수영 모드는 세계에서 가장 효율적인 수중 추진 메커니즘으로 널리 알려져 있으며 로봇 공학자가 모방하기 훨씬 더 쉬운 더 강력한 기술 솔루션을 제공합니다.

Pulse-jetting은 시편 몸체의 중공 공동의주기적인 팽창 및 수축에 의존합니다. 이 시스템은 물의 섭취와 배출을 유도하여 궁극적으로 해파리에 일종의 추진력을 제공합니다.

단순성에도 불구하고이 수영 전략은 놀라운 민첩성과 에너지 효율성을 가져올 수 있습니다. 가장 빠른 오징어는 초당 8 미터 펄스 제트 시스템을 사용하는 동안 해파리는 아우렐 리아 아우 타 (달 해파리라고도 함)는 지구상에서 가장 효율적인 수영 선수.

우리가 수중 로봇을 만들 때 이러한 유기체를 복사함으로써 우리는 높은 기동성과 탁월한 효율성을 결합 할 수있는 새로운 수중 차량을 설계 할 수 있습니다. 우리의 최근의 연구, 우리는 로봇의 추진 효율에 맞출 수있는 새로운 바이오 영감 로봇을 개발했습니다. 아우렐 리아 아우 타. 이를 위해 우리는 해파리가 높은 추진 효율을 달성 할 수 있도록하는 핵심 원리 인 공명을 모방했습니다.

Aurelia aurita 또는 달 해파리Aurelia aurita 또는 달 해파리는 지구상에서 가장 효율적인 수영 선수로 간주됩니다. Richard A McMillin / Shutterstock

공명 로봇

공명은 걷기, 그네 타기, 그네 타기와 같은 많은 일상 활동에서 일반적으로 발생하는 물리적 현상입니다. 노래조차. 예를 들어 흔들리는 진자를 보면 중력에 의해 결정되는 수직 위치에 매달린 상태에서 정지 될 때까지 계속 진동한다는 것을 경험으로 알고 있습니다. 진자가 진동하는 주파수를 "고유 주파수"라고합니다.

경험을 통해 우리는 또한 진자를 계속 진동시키고 싶다면 가장 쉬운 방법은 아이를 더 높이 밀 때처럼 진동의 가장 높은 지점에 도달 할 때마다 도움이되는 넛지를주는 것입니다. 그네에. 이렇게하면 진자 또는 스윙이 "공명"할 수 있습니다.

따라서 공명은 외부 힘이 고유 주파수에서 시스템에 영향을 주어 시스템이 필요한 힘의 일부에서 더 큰 진폭 진동을 달성 할 때 발생합니다. 이것이 공명에서 작동하는 것을 매우 효율적으로 만드는 것입니다. 우리는 해파리에서 영감을 얻은 로봇의 추진에도 동일한 원리를 적용했습니다.

우리는 탄성 추진 시스템을 갖춘 로봇 해파리를 설계함으로써 그 탄성체의 고유 한 고유 진동수를 이용하여 메커니즘을 공명으로 유도 할 수 있다고 가정했습니다. 공명에서 우리 로봇은 에너지 비용의 일부로 강력한 펄스 제트를 내 보냅니다.

우리가 개발 한 로봇은 우산과 같은 메커니즘의 영향으로 확장 및 축소되는 탄성 내부 챔버를 가지고 있습니다. 물 탱크에서 테스트 한 결과 로봇은 펄스 속도가 로봇 해파리의 탄성 챔버의 고유 진동수에 가까워지면서 수영 속도가 증가하는 것으로 나타났습니다. 우리 로봇 해파리가 공명했음을 증명했습니다.

기계적이든 생물학적이든 스스로 추진하는 시스템의 효율성은 흡수 된 전력, 시스템의 속도 및 질량을 결합한 방정식을 기반으로합니다. 로봇에 적용 할 때이 방정식은 로봇 해파리를 아우렐 리아 아우 타 해파리.

이것은 두 배의 영향을 미치는 놀라운 결과입니다. 한편으로는 기계 시스템이 최고의 자연 수영 자들의 추진 효율을 달성 할 수 있다는 것을 처음으로 보여줍니다. 반면에 우리 로봇은 생물학적 대응 물의 뛰어난 수영에 대해 설명했습니다. 이제 생물 학자들이 완전히 새로운 관점으로 해파리와 오징어 연구로 돌아가는 데 도움이 될 수 있습니다.

가장 효율적인 자연 수영 자들로부터 영감을받은 시스템에 의해 구동되는 우리의 로봇 해파리는 역동적이고 효율적인 수중 로봇의 프로토 타입을 제공합니다. 이는 해상 풍력 발전 단지 산업이 언젠가 파도 아래에있는 인프라 부분을 유지하는 데 사용할 수 있습니다.

저자에 관하여

Francesco Giorgio-Serchi, 로봇 공학 및 자율 시스템 부문 총장 연구원, 에든버러 대학

이 기사는 24 년 2021 월 XNUMX 일에 업데이트되어이 연구에 참여한 University of Southampton 팀의 공로를 인정했습니다.대화

이 기사는에서 다시 게시됩니다. 대화 크리에이티브 커먼즈 라이센스하에 읽기 원래 기사.

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