Исследование подводной жизни с помощью акустически управляемых рыба-роботов.

9 November 2019

Крупномасштабные исследования подводной жизни требуют новых форм взаимодействия с использованием биомиметических существ, способных к маневрам в плавании, оснащенных камерами и поддерживаемых дистанционным управлением человека. Биомиметическая подводная обсерватория для долгосрочных исследований могла бы способствовать пониманию морских организмов, особенно их социального поведения и того, как изменения окружающей среды влияют на хрупкое равновесие в подводном пространстве. Одной из возможностей достижения этой цели является использование подводных аппаратов, которые могут плавать бок о бок с морскими живыми организмами, позволяя проводить наблюдения с близкого расстояния.

Транспортные средства с дистанционным управлением или автономные подводные аппараты в океанской среде обычно используют винты или реактивные двигательные установки. Однако эти двигательные устройства создают значительную турбулентность и способны напугать морских обитателей. Кроме того, сам по себе внешний вид этих аппаратов плохо вписывается в морскую среду. Сложность большинства традиционных устройств также требует дорогостоящего изготовления и сложных стратегий управления. А их большой объем ограничивает привязку к глубоководным участкам с помощью специально оборудованных судов. Мелкие устройства обычно требуют тросов, что может быть громоздким и ограничивать их работу.

Рыба-робот.

https://pin.it/kwuaxbo4s7ney3
https://pin.it/kwuaxbo4s7ney3

Для решения этой проблемы придумали биомиметических рыбных роботов SoFi, которые могли бы легко использоваться одним дайвером. Это мягкий подводный робот с жидкостным приводом, который плавает непрерывными и соответствующими движениями, имитирующими плавание рыбы. Биомимикрия потенциально повышает способность роботов приближаться к морским живым организмам, не нарушая их естественной среды обитания.

В отличие от предыдущих разработок, этот робот способен работать без привязки в океанской среде. Он может двигаться по трехмерным (3D) траекториям путем корректировки своих плоскостей погружения или контроля своей плавучести. Бортовые датчики воспринимают окружающую среду, а система управления полётом позволяет дайверу отдавать дистанционные команды.

  1. Рыба-роботы первого поколения были подвешены под воду и приводились в действие пневматическим приводом для плавания вперед на фиксированной глубине и выполнения аварийных маневров.
  2. Рыба-роботы второго поколения использовали гидравлическое мягкое управление и встроенные плоскости для динамического погружения. Однако роботы имели ограниченную тягу, не могли выдержать сжатия на глубине более метра, самостоятельно регулировать свою плавучесть и не имели механизма подводного дистанционного управления и связи с человеком-дайвером.
  3. Робот SoFi интегрирует и расширяет эти предыдущие работы, достигая не привязанного плавания и дистанционного управления на различных глубинах в сложных условиях.

Значение новой разработки.

SoFi способен вести тщательные наблюдения за морской жизнью и может стать новой платформой для изучения и взаимодействия с подводными видами. Он демонстрирует, что привод с мягкой жидкостью может быть успешным механизмом для продолжительных не связанных подводных исследований на различных глубинах.

В частности, эта работа представляет собой:

  • мощный гидравлический мягкий привод;
  • механизм управления, позволяющий роботу регулировать плавучесть в зависимости от глубины;
  • бортовую аппаратуру наблюдения и регистрации окружающей среды;
  • систему управления плаванием, которую человек-дайвер может использовать для передачи роботу навигационных команд на расстоянии с помощью акустических сигналов;
  • расширенные эксперименты на глубинах от 0 до 18 метров.

Робот SoFi продемонстрировал способность самостоятельно выполнять команды высокого уровня в прибрежных водах и коралловых рифах на глубине до 18 м. Он обладает встроенными возможностями не привязанной мобильной подводной обсерватории, что потенциально позволяет вести непрерывный мониторинг морской жизни.

Система управления.

https://pin.it/rbcrf7sb6qqmcv
https://pin.it/rbcrf7sb6qqmcv

Природные системы часто превосходят жесткие роботизированные системы по своим мягким и соответствующим требованиям к характеристикам, таким как непревзойденная скорость и ловкость гепарда или способность мертвой рыбы плавать вверх по течению. Новаторской разработкой в области роботов-рыболовов стал беспилотный подводный аппарат Vorticity Control - система, использующая приводной узел для осуществления плавания, похожего на рыбу. Это послужило источником вдохновения для разработки мягких рыб-роботов с гидравлическим управлением.

Несколько обзоров мягких роботизированных систем выявили потенциальные преимущества деформируемых корпусов для роботизированных систем. В данном случае для создания автономного устройства используется монолитное литье. Это надежный и легко воспроизводимый способ изготовления мягких приводов со сложными внутренними полостями и без швов, которые могут нарушить целостность конструкции. Попеременная транспортировка жидкости из одной камеры в другую, осуществляемая в SoFi, не требует дополнительного накопителя, и жидкость не должна выходить наружу, чтобы сдуть воздух из привода. Использование воды вместо воздуха в качестве трансмиссионной жидкости также облегчает развертывание под водой.

Для рыба-робота разработали модульную систему плавучести, которая является быстрой, простой и эффективной в управлении и регулировании. Простой однонаправленный протокол связи с алгоритмами обнаружения позволяет системе отправлять короткие командные слова, будучи легко интегрированной в SoFi.

Заключение.

Данная разработка прошла все этапы:

  • проектирование и изготовление;
  • контроль и океанические испытания мягкой рыбы-робота, способной плавать в трех измерениях для непрерывной регистрации водной флоры и фауны.

Используя миниатюрный акустический коммуникационный модуль, дайвер может направлять рыбу, посылая команды, такие как скорость, угол поворота и динамическое вертикальное погружение. Он основан на предыдущих поколениях рыб-роботов, которые были ограничены одной плоскостью на мелководье и не имели дистанционного управления. Результаты экспериментов, полученные в ходе испытаний вдоль коралловых рифов в Тихом океане, показывают, что эти рыбы-роботы могут успешно перемещаться по водной среде на глубинах от 0 до 18 метров. Кроме того, эти рыбы-роботы демонстрируют реалистичное волнистое движение хвоста благодаря мягкому софту, который способствует более естественной интеграции в океанскую среду. Эти исследования выходят за рамки того, что возможно в настоящее время с использованием традиционных подводных аппаратов. Акустически управляемые рыба-роботы могут быть использованы в будущем для изучения взаимодействия водных организмов и динамики океана.