En bioinspireret flow-sensing cupula til nedsænket robotik

Naturen kan være en værdifuld inspirationskilde for forskere, der udvikler robotter og kunstig intelligens (AI)-systemer. Undersøgelser i undervandsrobotik, for eksempel, ofte har forsøgt at replikere eller indarbejde mekanismer observeret i vandlevende organismer, såsom fiskelokomotionsmønstre og hajhudstrukturer.

Et team af forskere ved U.S.Naval Research Laboratory og U.S.Naval Undersea Warfare Center har for nylig udviklet en kapacitiv flow-sensing cupula inspireret af overfladiske neuromaster, som i det væsentlige er strukturer på kroppen af ​​fisk og padder, der kan detektere vandstrømmen. Denne kuppel, præsenteret i et papir offentliggjort i MDPI, udviser en høj følsomhed på 0,05 picofarad pr. millimeter (pF/mm) og kan anvendes på en række robotter og køretøjer designet til at blive indsat under vandet.

"U.S. Naval Research Laboratory, sammen med mange andre institutioner, udforsker naturinspirerede midler til at opnå øget effektivitet og manøvredygtighed i undervandsrobotter, "Charles Rohde, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore. "I det væsentlige, at skabe en kunstig fisk giver mange fordele i forhold til traditionelle propeldrevne designs. Hvis vi ser på biologiske modstykker, selvom, vi ser, at deres succes skyldes mere end bare mekanikken og kropsbevægelsen; fisk har rækker af sensorer langs deres kroppe."

Fisk har en række såkaldte laterale linjesensorer, der giver feedback om strømtilstand, giver dem mulighed for at orientere sig under vandet og opdage nærliggende objekter. Rohde og hans kolleger ønskede at kopiere disse sensorer og efterligne deres egenskaber for at forbedre undervandsbiler.

De biologiske cupulas observeret i fisk består af gel indlejret med sensorhår, som er knyttet til vanddyrets hjerne via en række nerver. Den kunstige cupula udviklet af forskerne, på den anden side, består af silikongummi indlejret med flydende metalfølerplader, som er fastgjort til en mikrocontroller ved hjælp af ledninger.

En yderligere forskel mellem naturligt forekommende kupler og den kunstige, som forskerne har udviklet, er, at mens førstnævnte anvender elektrokemiske signaler, sidstnævnte er kapacitiv (dvs. som smartphones touchskærme, den er afhængig af ændringer i elektriske felter). I modsætning til berøringsskærme, den bioinspirerede enhed interagerer ikke med eksterne objekter (f.eks. menneskelige fingre). I stedet, den består af flydende metalplader, der bevæger sig og deformeres i forhold til hinanden.

"De flydende metalplader (gallium-indium) danner to kapacitive sensorer, der deformeres baseret på kræfter, der tilføres silikonekoppen ved væskestrøm, "James Wissman, en anden forsker involveret i undersøgelsen, forklaret. "Når cupulaen deformeres, de flydende metalplader indeni bevæger sig tættere eller længere fra hinanden, ændre kapacitansen mellem dem. En mikrocontroller registrerer denne ændring i kapacitans, som kan relateres til den ydre væskestrømningshastighed gennem eksperimentering og matematisk modellering. "

De kapacitive sensorer udviklet af forskerne har en høj følsomhed og kan også arrangeres i arrays. For eksempel, snesevis af disse sensorer kunne arrangeres på tværs af en undervandsrobot i en sidelinje, for at fange og spore vandstrømningsegenskaber. Disse sansekupoler er bløde; dermed kan de integreres med kunstige hudmaterialer uden at tilføje stivhed til bioinspirerede maskiner.

"Der er flere andre cupula- og hårbaserede strømningssensorer offentliggjort i litteraturen, men vi var overraskede over kun at finde én anden under vandet, sæl-whisker-inspireret eksempel, der var kapacitiv i naturen, " sagde Rohde. "Vores resultater viser, at kapacitiv sansning er en meget lovende tilgang, og vi håber, at vores publikation vil opmuntre andre til at udforske denne metode."

Rohde, Wissman og deres kolleger fremstillede deres bioinspirerede sensor ved hjælp af tabt voks og vakuumindsprøjtningsteknikker. De udførte derefter en række indledende tests for at evaluere dens ydeevne.

Sammenlignet med andre kapacitive enheder, deres sensor inkorporerer transducere i selve kappen, snarere end ved sin base. I deres evalueringer, dette særlige aspekt af sensorens fremstilling viste sig at være meget effektivt, hvilket fører til mere avancerede sansemuligheder end dem, der er observeret i tidligere udviklede kapacitive enheder.

"Bortset fra selve sensoren, et andet vigtigt aspekt er fremstillingsprocessen, " sagde Wissman. "For at skabe en så kompleks struktur inde i en lille silikonestruktur, vi brugte en unik kombination af offerformning (tænk tabt voksstøbning) og vakuumindsprøjtning af flydende metal. Dette kan nemt udvides til andre enheder, såsom komplekse 3D-ledninger eller antenner."

Sensorenheden udviklet af Rohde, Wissman og hans kolleger kunne have en lang række applikationer inden for nedsænket robotik, da det muliggør udvikling af robotter, der kan navigere under vandmiljøer mere effektivt. I deres fremtidige arbejde, forskerne planlægger at miniaturisere deres enhed, som i øjeblikket er 5 mm høj; 50 gange større end neuromasterne observeret hos fisk.

En mindre version af sensoren kunne muliggøre en mere direkte måling af grænselags flowforhold, endnu tættere på en robots vandvendt overflade. For at minimere sensoren, imidlertid, forskerne bliver nødt til at ændre deres fremstillingsmetoder.

Indtil nu, Wissman og hans kolleger har primært fokuseret på konstante (eller langsomt skiftende) vandstrømme, men superhurtige flowvariationer (dvs.> 1, 000-10, 000 gange i sekundet) forbundet med turbulens og hvirvler kunne give en dybere indsigt i en robots omgivende miljø. I deres kommende studier, forskerne vil derfor gerne udvide omfanget af deres arbejde ved at inkludere disse flowvariationer og se på hurtigere dataindsamlingsteknikker.

"Vi planlægger også at samle en række kunstige kugler - en kunstig sidelinje - der kan fastgøres til en nedsænkelig robot, "Wissman sagde." Kulminationen på dette projekt ville være at se en autonom robotfisk, ved hjælp af vores integrerede sensorer, med succes navigere i en pool med forhindringer og strømme."

© 2019 Science X Network