Amerikanische Ingenieure haben einen Prototyp eines Wasservogelroboters entwickelt, der die Bewegung von Tintenfischen nachahmt, indem er das umgebende Wasser nutzt, um einen Wasserstrahl zu erzeugen. Der Körper des Gerätes kann über einen elektromotorisch angetriebenen Mechanismus das Volumen und den Querschnitt zyklisch ändern. In jedem Zyklus nimmt durch die elastische Verformung der Außenschale das Volumen des Körpers zu und er wird mit Wasser gefüllt. Eine anschließende schnelle Kompression drückt dann einen Wasserstrahl durch eine Düse an der Rückseite des Gehäuses und erzeugt einen Strahlschub. Robocalmar konnte eine maximale Durchschnittsgeschwindigkeit von 18,4 Zentimetern pro Sekunde, eine Momentangeschwindigkeit von etwa 32 Zentimetern pro Sekunde und eine Zugkraft von 0,19 Newton entwickeln. Zukünftig soll das Gerät für die Unterwasserforschung und zum Beispiel für die Entnahme von Wasserproben eingesetzt werden, heißt es in einem Artikel der Fachzeitschrift Bioinspiration and Biomimetics.
Roboter aus weichen Materialien können dort effektiv eingesetzt werden, wo ein sorgfältiger und sicherer Umgang mit Objekten und der Umgebung erforderlich ist. Die unzureichende Steifigkeit der Struktur erschwert jedoch eine schnelle Bewegung im Raum aufgrund einer Verzögerung bei der Übertragung des Aufpralls auf die beweglichen Elemente des Roboters. Insbesondere das Problem der geringen Mobilität und Manövrierfähigkeit ist für weiche Roboter in einer aquatischen Umgebung relevant.
Ingenieure der University of California, San Diego, unter der Leitung von Caleb Christianson, haben die Art und Weise, wie sich Tintenfische im Meer bewegen, ausgeliehen, um dieses Problem zu lösen. Diese Kreaturen haben einen elastischen Körper ohne starres Skelett, können sich aber unter Wasser schnell bewegen, indem sie zyklisch Wasser in den Hohlraum eines Lederfaltmantels ziehen und dann durch ein spezielles Loch herausdrücken.
Das Design des Roboters ermöglicht es, das Volumen des Mittelteils und den Querschnitt des Körpers zu verändern, indem die Arbeit des Tintenfischmantels simuliert wird, wodurch eine effektive Bewegung nicht nur aufgrund des ausgestoßenen Strahlstroms ermöglicht wird, aber auch aufgrund der zusätzlichen Masse, die mit der beschleunigten Bewegung der Flüssigkeit um den Körper verbunden ist und je nach Form … Die Entwickler haben sich vom Konzept eines völlig weichen Roboters entfernt und fügen starre Elemente in Form von zwei Polylactid-Platten hinzu, die im 3D-Druck hergestellt werden und als Skelett fungieren. An den Enden der Bretter sind biegsame elastische Querträger aus Verbundwerkstoff G10 angebracht, die gleichzeitig die Rolle von Federn und Karosserierippen spielen, sowie ein mechanischer Antrieb bestehend aus einer Zahnstange und einem Elektromotor mit Getriebe.
Diagramm der Bildung eines Tintenfischstrahls und ein Diagramm der Funktionsweise des Robotermechanismus: Füllen mit Wasser und Ausstoßen des Strahls
Auf einer der Platten befindet sich eine Düse, und oben ist die gesamte Struktur mit einer speziellen elastomeren "Haut" bedeckt, die das Innenvolumen begrenzt und etwa 27 Prozent der bei der Verformung während des Kompressionszyklus gespeicherten Energie beiträgt.
Der versiegelte transparente Kunststoffbehälter beherbergt die Stromversorgung und das Steuerungssystem für die autonome Navigation, und nach Angaben der Entwickler können dort bei Bedarf zusätzliche Sensoren und eine Kamera platziert werden.
Bei jedem Arbeitszyklus des Mechanismus wird zuerst eine Kompression durch den Betrieb eines Elektromotors mit einem sich entlang einer Zahnstange bewegenden Zahnrad durchgeführt. Die Bretter bewegen sich aufeinander zu und biegen die Rippen und die elastische Hülle des Koffers nach außen, wodurch das Volumen des mittleren Teils des Koffers vergrößert und mit Wasser gefüllt wird. Wenn das Zahnrad einen Punkt erreicht, an dem es nicht mehr mit der Zahnstange verbunden ist, wird die gespeicherte elastische Energie der Rippen und des Mantels freigesetzt und Wasser wird in Form eines Jetstreams von innen nach außen geschleudert. Dann wiederholt sich der Zyklus.
Die Ingenieure testeten die Fähigkeiten des Prototyps in einem Laborbecken sowie einem großen Salzwasser-Birkenaquarium am Scripps Institute of Oceanography der University of California, San Diego. Robocalmar erreichte eine maximale Durchschnittsgeschwindigkeit von 18,4 Zentimetern pro Sekunde (0,54 Körperlängen pro Sekunde) und eine maximale Momentangeschwindigkeit von 32,1 Zentimetern pro Sekunde (0,94 Körperlängen pro Sekunde). Messungen der maximalen Schubkraft des Jetpropellers des Roboters ergaben einen Wert von 0,19 Newton. Darüber hinaus zeigen Berechnungen, dass dieser Wert im freien Schweben durch den Einfluss der hinzugefügten Masse um etwa 0,1 Newton ansteigen sollte. Bei Versuchen mit fester Abweichung des Schubvektors wurde eine Winkelgeschwindigkeit von etwa 50 Grad pro Sekunde erreicht.
Der Prototyp des robotischen Calmars zeigte eine gute Zuverlässigkeit, nachdem er vor der Reparatur etwa 5.000 Reduktionszyklen durchgearbeitet hatte, aber nach Angaben der Autoren der Arbeit kann dieser Wert durch die Verwendung anderer Materialien verbessert werden. Darüber hinaus planen die Ingenieure in den nächsten Versionen des Prototyps, die Möglichkeit zur vollständigen Steuerung des Schubvektors hinzuzufügen.
Vorhin haben wir über eine weitere Entwicklung von Ingenieuren der University of California in San Diego gesprochen. Sie haben einen weichen, transparenten Unterwasserroboter konstruiert, der sich mit seinem ganzen Körper wie ein Aal durch das Wasser winden kann.
