For mindre end $200, ingeniørstuderende byggede en realistisk robotfisk

Maskiningeniørstuderende udfordrede sig selv til at lave en robotfisk, der ikke kun svømmer som en rigtig fisk, men ser også delen ud, demonstrerer de muligheder, der ligger i blød robotteknologi.

Da mennesker først undfangede robotter, de var klodsede, lavet af plader af aluminium og stål, der forhindrede dem i at bevæge sig flydende. Selv på afstand, der var ingen chance for at forveksle en robot med et menneske – eller nogen anden type levende væsen.

Brug af computerstøttet design (CAD) modellering, et hold af studerende ingeniører, arbejder med Dr. Satyandra K. Gupta, Smith International Professor i Mechanical Engineering og associeret formand for Institut for Luft- og Rumfart og Mekanik, stræbte efter at fremme anvendelser af robotter ved at skabe en blød robotfisk, som på afstand, ville blive forvekslet med en rigtig.

Fisken, navngivet SCI-FI BOT (Sarasa Comet Inspired Fish Robot), blev modelleret efter Sarasa Comet Goldfish. "Det er en super almindelig fisk, især i Amerika. Det vil gøre det lettere at studere fisken og dens bevægelser, og gør det så realistisk som muligt, " sagde Mishaal Parekh, en anden studerende i USC Viterbi.

Denne virkelighed blev opnået trin for trin for mindre end $200, gennem det hårde arbejde fra to grupper af kandidat- og bachelorstuderende i maskinteknik. Lanceret i sommeren 2018 med et indledende hold på to studerende - Aniruddha Shembekar og Rohil Aggarwal - som gav fisken dens rudimentære elementer, fisken fik sin intuitive, realistisk bevægelse og se gennem arbejdet i et andet team, det seneste semester. Det andet hold inkluderede Manish Shastrakar, Yilun Yu, ChienTzai Chen, Mishaal Parekh, og Jonathan Wilson.

"Mange har forsøgt at skabe robotfisk før, men hvis man ser på en egentlig fisks muligheder, robotversioner er slet ikke særlig dygtige. Hovedmålet med dette projekt var at integrere elementer som et kamera, samtidig med at man sikrede, at fisken havde en fleksibel, realistisk ydre krop og efterlignede den faktiske bevægelse af en Sarasa Comet Goldfish, " sagde Manish Shastrakar, en andenårs kandidatstuderende og teamleder.

Udseende

SCI-FI BOT fik ikke let sit flotte udseende. Processen begyndte med forskning i materialer, der ville efterligne egenskaberne af ægte fiskeskind. Holdet kontaktede 3D-printere, imidlertid, var ikke i stand til at finde en løsning, der var omkostningseffektiv til at printe skins, der kunne integrere farve og tekstur problemfrit. Over til plan B, holdet brugte forme, som de fyldte med silikone - som er fleksibelt og strækbart - for at skabe fiskens ydre krop. De forbedrede senere denne "skind" med maling for at genskabe farven og skæl, der forventes i en Sarasa Comet Goldfish.

Bevægelse

Hvordan får man en robot til at bevæge sig som en rigtig fisk? Du studerer den rigtige version fra alle vinkler, i forskellige miljøer, hvilket er præcis, hvad dette hold gjorde. Mens fisk anvender flere forskellige former for bevægelse, elevteamet valgte at fokusere på underkarangiformen. Det betyder, mens halen bevæger sig, du vil se bevægelse hele vejen igennem til fiskens hoved. Som regel, dette indikerer, at fiskens krop er stivere, give fisken fart, mens du har kontrol over manøvrer, som drejninger, er reduceret. Fra et designperspektiv, dette er perfekt tilpasset de stivere stykker af kroppen, som blev 3D-printet. Det betød også, at et færre antal servomotorer - motorer koblet med sensorer for at give mulighed for præcis kontrol af positionering - var påkrævet for at efterligne denne type bevægelse i modellen.

For at perfektionere SCI-FI BOTs bevægelse, holdet målte vinklen af ​​dets kropsdele til sin egen længdeakse, når fisken var i bevægelse. Servomotorer blev placeret ved hvert af disse rotationspunkter.

Søger udfordringer

Med et ønske om at få praktisk erfaring med robotter, et felt, der byder på kontinuerlig vækst og spændende faglige muligheder, studerende opsøgte Gupta, Direktør for Center for Advanced Manufacturing (CAM) (hvor eleverne byggede fisken), til et projekt, der ville engagere og udfordre dem.

"At lave en fisk er ikke en let opgave, fordi du skal være specifik omkring bevægelsen og formen og håndtere pladsbegrænsninger, " sagde Yulin Yu, en andenårs kandidatstuderende. "En robotfisk, i særdeleshed, giver mulighed for at overvinde udfordringer lige fra softwaredesign til elektriske kredsløb til mekanisk design til æstetik. Alt dette plus at fisken skal arbejde under vand."

SCI-FI BOT-holdet mødte mange af disse udfordringer, forlænger batteriets levetid fra de tidligere gentagelser med det dobbelte (nu en time) og sørger for, at opladning kan ske trådløst. Næste op:arbejde med dybdekontrol og give fiskene autonomi - evnen til at komme fra punkt A til B på egen hånd.

I mellemtiden, eleverne lærte også værdifulde lektioner om at arbejde i skyttegravene. "Det, jeg lærte, var at være en dygtig ekspert. Fra at kontakte leverandører af fiskeskind til at skabe CAD-modellen til at redigere videoen af ​​vores arbejde, " sagde Parekh.

Underwater Insights

Soft robots are a growing field, as they are viewed to be safer and easier to maneuver than hard robots. På samme tid, soft robots have a closer likeness to human and animal bodies, allowing them to more easily blend in.

A robotic fish, i særdeleshed, could be used to study marine life. Biologer, who have in the past been limited by tools that disturb marine life with their presence, will be better able to see, up close, how fish behave and communicate with each other using robots like SCI-FI BOT.

"It's unobtrusive, so it's easier to get a natural look at what is going on in the ocean, " said Parekh.

Udover det, what we learn could help us in improving how we ourselves navigate bodies of water.

"From a research perspective, the more closely you can replicate the fish, the better we can learn about how fish swim—gaining understanding of their efficiencies. How do they conserve energy or deal with the current? We can use this to help us design underwater vehicles, " said Gupta.

For nu, SCI-FI BOT continues practicing laps at the surface.