Onze robot is geïnspireerd op de gewone maankwallen. Willyam Bradberry / Shutterstock 

Enkele van de laatste gebieden van ongerepte en ongerepte wildernis op aarde bestaan ​​onder de zeeën. Toch worden deze mariene ecosystemen bedreigd door diepzeemijnbouwprojecten, booreilanden en offshore windmolenparken. Wanneer deze voorzieningen worden gebouwd en onderhouden, hebben ze de neiging de rijke ecologische netwerken eromheen te beschadigen.

Robotici en ingenieurs werken aan het aanpakken van dit probleem en zoeken naar nieuwe manieren om machines te maken die kunnen helpen bij het repareren, onderhouden of inspecteren van de onderzeese componenten van de groeiende offshore-industrie. Onder leiding van collega's Thierry Bujard en Gabriel Weymouth van de Universiteit van Southampton, heeft mijn team dat gedaan een oplossing gevonden voor dit probleem, het ontwerpen van onderwaterrobots die zijn geïnspireerd door de slimste zwemmers van de natuur: de ultra-efficiënte maankwallen.

Traditionele waterrobots zijn ontworpen voor twee hoofddoeleinden: voor efficiënte, langeafstandsnavigatie over open waterpartijen en voor taken die een hoge manoeuvreerbaarheid vereisen in de buurt van onder water gelegen constructies. Beide typen robots zijn effectief, maar er zijn maar weinig robots die efficiënt reizen combineren met een hoge wendbaarheid. Dat betekent dat de meeste waterrobots te onhandig en onhandig zijn om de offshore-industrie te ondersteunen zonder ook het onderzeese milieu te schaden.

Met de uitbreiding van offshore-ontwikkelingen naar steeds kwetsbaarder wordende omgevingen, worstelen zelfs ultramoderne scheepsrobots met de complexiteit van hun missies. Er wordt momenteel veel onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van autonome diepzee-robots, met initiatieven als Xprijs financiering bieden voor enkele van de meest opwindende ideeën.

Maritieme machines

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, hebben ingenieurs zich tot de biologie gewend om nieuwe vormen van robotachtige voortstuwing onder water te inspireren. Na miljoenen jaren van evolutie, zo luidt de logica, zouden waterwezens modellen moeten bieden om de zwakke punten van de huidige oogst van onderwaterrobots aan te pakken.

De zwemmodus van vissen, gebaseerd op het fladderen van hun verschillende vinnen, is de belangrijkste inspiratiebron voor hen geworden experimenteren met nieuwe onderwatervoertuigen​ Maar de pulse-jet-zwemmodus waar kwallen de voorkeur aan geven, wordt algemeen beschouwd als 's werelds meest efficiënte onderwateraandrijvingsmechanisme, en biedt een meer fascinerende technologische oplossing die voor robotici veel gemakkelijker te imiteren is.

Pulse-jetting berust op de cyclische uitzetting en samentrekking van een holte van het lichaam van het preparaat. Dit systeem drijft de opname en uitstoot van water aan, wat kwallen uiteindelijk een vorm van voortstuwing geeft.

Ondanks zijn eenvoud kan deze zwemstrategie resulteren in ongelooflijke behendigheid en tegelijkertijd zeer energiezuinig zijn. De snelste inktvis kan tot 8-meter per seconde met behulp van een pulse-jet-systeem, terwijl de kwal Aurélia aurita (ook bekend als de maankwal) is bekend de meest efficiënte zwemmer ter wereld.

Door deze organismen te kopiëren wanneer we onderwaterrobots bouwen, kunnen we nieuwe onderwatervoertuigen ontwerpen die een hoge manoeuvreerbaarheid combineren met een ongeëvenaarde efficiëntie. In onze recent onderzoekhebben we een nieuwe bio-geïnspireerde robot ontwikkeld die de voortstuwende efficiëntie van de Aurélia aurita​ Om dit te doen, hebben we het sleutelprincipe nagebootst dat kwallen in staat stelt hun hoge voortstuwingsrendement te bereiken: resonantie.

De Aurelia aurita of maankwal wordt beschouwd als de meest efficiënte zwemmer op aarde. Richard A McMillin / Shutterstock

Resonante robotica

Resonantie is een fysiek fenomeen dat vaak voorkomt bij veel dagelijkse activiteiten, zoals wandelen, spelen op een schommel en zelfs zingen​ Als we bijvoorbeeld naar een slingerende slinger kijken, weten we uit ervaring dat deze zal blijven slingeren totdat hij tot stilstand komt, hangend in een verticale positie zoals bepaald door de zwaartekracht. De frequentie waarmee de slinger oscilleert, wordt de "natuurlijke frequentie" genoemd.

Uit ervaring weten we ook dat als we de slinger in beweging willen houden, de gemakkelijkste manier om dit te doen is door hem elke keer dat hij het hoogste punt van zijn oscillatie bereikt een nuttig duwtje te geven, net zoals we doen wanneer we een kind hoger duwen. op een schommel. Wanneer we dit doen, laten we de slinger of zwaai "resoneren".

Resonantie treedt dus op wanneer een externe kracht een systeem met zijn natuurlijke frequentie beïnvloedt, waardoor het systeem grotere amplitude-oscillaties bereikt met een fractie van de benodigde kracht. Dat is wat het werken met resonantie zo efficiënt maakt. We hebben hetzelfde principe toegepast op de voortstuwing van onze op kwallen geïnspireerde robot.

Onze hypothese was dat door het ontwerpen van een robotkwal met een elastisch voortstuwingssysteem, we de inherente natuurlijke frequentie van dat elastiek zouden kunnen benutten om het mechanisme in resonantie te brengen. Bij resonantie zou onze robot krachtige gepulseerde jets afgeven tegen een fractie van de energiekosten.

De door ons ontwikkelde robot heeft een elastische binnenkamer, die uitzet en instort onder invloed van een paraplu-achtig mechanisme. Bij testen in een watertank bleek de robot zijn zwemsnelheid te verhogen naarmate de snelheid waarmee hij pulseerde de natuurlijke frequentie van de elastische kamer van de robotkwal naderde. Het bewees dat onze robotkwal resonantie had bereikt.

De efficiëntie van een systeem dat zichzelf voortstuwt, of het nu mechanisch of biologisch is, is gebaseerd op een vergelijking die het opgenomen vermogen, de snelheid van het systeem en zijn massa combineert. Wanneer toegepast op onze robot, zette die vergelijking onze robotkwallen op één lijn met de Aurélia aurita kwallen.

Dit is een opvallend resultaat met een dubbele impact. Aan de ene kant laat het voor het eerst zien dat een mechanisch systeem de voortstuwende efficiëntie van de beste zwemmers uit de natuur kan bereiken. Aan de andere kant heeft onze robot het uitstekende zwemmen van zijn biologische tegenhangers verklaard - wat biologen nu kan helpen om vanuit een geheel nieuw perspectief terug te keren naar de studie van kwallen en inktvissen.

Aangedreven door een systeem dat is geïnspireerd door de meest efficiënte zwemmers uit de natuur, biedt onze robotkwal een prototype van een dynamische en efficiënte onderwaterrobot, die de offshore windmolenparkindustrie ooit kan gebruiken om de delen van hun infrastructuur die onder de golven liggen te onderhouden.

Over de auteurs

Francesco Giorgio-Serchi, bondskanselier in robotica en autonome systemen, Universiteit van Edinburgh

Dit artikel is bijgewerkt op 24 februari 2021 ter ere van het team van de Universiteit van Southampton dat ook aan dit onderzoek heeft meegewerkt.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

Verwante Boeken

Drawdown: het meest uitgebreide plan ooit voorgesteld om opwarming van de aarde tegen te gaan

door Paul Hawken en Tom Steyer
In het licht van de wijdverspreide angst en apathie, is een internationale coalitie van onderzoekers, professionals en wetenschappers bij elkaar gekomen om een ​​reeks realistische en gewaagde oplossingen voor klimaatverandering aan te bieden. Honderd technieken en werkwijzen worden hier beschreven - sommige zijn bekend; sommigen heb je misschien nog nooit van gehoord. Ze variëren van schone energie tot het opleiden van meisjes in lagere inkomenslanden tot landgebruikspraktijken die koolstof uit de lucht halen. De oplossingen bestaan, zijn economisch levensvatbaar, en gemeenschappen over de hele wereld voeren ze momenteel uit met vaardigheid en vastberadenheid. Beschikbaar op Amazon

Ontwerp van klimaatoplossingen: een beleidsgids voor koolstofarme energie

door Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Nu de gevolgen van klimaatverandering al voor ons zijn, is de noodzaak om de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen terug te dringen niets minder dan urgent. Het is een enorme uitdaging, maar de technologieën en strategieën om eraan te voldoen, bestaan ​​tegenwoordig. Een klein aantal goed ontworpen en geïmplementeerde energiebeleidslijnen kan ons op weg helpen naar een koolstofarme toekomst. Energiesystemen zijn groot en complex, dus het energiebeleid moet gericht en kosteneffectief zijn. One-size-fits-all benaderingen zullen de klus gewoon niet klaren. Beleidsmakers hebben een duidelijke, alomvattende bron nodig die het energiebeleid schetst dat de grootste impact zal hebben op onze klimaattoekomst, en beschrijft hoe dit beleid goed vormgegeven kan worden. Beschikbaar op Amazon

Dit verandert alles: Kapitalisme versus The Climate

door Naomi Klein
In Dit verandert alles Naomi Klein betoogt dat klimaatverandering niet alleen een kwestie is die netjes moet worden ingediend tussen belastingen en gezondheidszorg. Het is een alarm dat ons oproept om een ​​economisch systeem te repareren dat ons op veel manieren al tekortschiet. Klein bouwt nauwgezet op hoe massaal onze uitstoot van broeikasgassen wordt teruggedrongen, is onze beste kans om tegelijkertijd gapende ongelijkheden te verminderen, onze gebroken democratieën opnieuw te verbeelden en onze uitgeholde lokale economieën weer op te bouwen. Ze legt de ideologische wanhoop bloot van ontkenners van klimaatverandering, de messiaanse waanideeën van de zogenaamde geo-ingenieurs en het tragische defaitisme van te veel mainstream groene initiatieven. En ze laat precies zien waarom de markt de klimaatcrisis niet-kan en niet-kan oplossen, maar in plaats daarvan de zaken erger zal maken, met steeds extremere en ecologisch schadelijke extractiemethoden, vergezeld door een ongebreideld rampzalig kapitalisme. Beschikbaar op Amazon

Van de uitgever:
Aankopen op Amazon gaan om de kosten van het brengen van je te bekostigen InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, en ClimateImpactNews.com zonder kosten en zonder adverteerders die je surfgedrag volgen. Zelfs als u op een link klikt maar deze geselecteerde producten niet koopt, betaalt alles wat u bij hetzelfde bezoek op Amazon koopt, een kleine commissie. Er zijn geen extra kosten voor u, dus draag alstublieft bij aan de moeite. Je kan ook gebruik dan deze link te gebruiken op elk gewenst moment voor Amazon, zodat u ons kunt helpen onze inspanningen te ondersteunen.