科学家团队开发水下游泳机器人 推动了生物学领域的发展

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来自德国马克斯·普朗克智能系统研究所(MPI-IS),韩国首尔国立大学和美国哈佛大学的科学家团队成功开发了一种软件的预测模型和闭环控制器机器人鱼,旨在主动调节其起伏幅度,以改变流量条件和其他外部干扰。他们的研究“带有集成软传感的软机器人鱼的建模和控制”发表在Wiley的Advanced Intelligent Systems期刊上,刊登在《机器人系统中的能量存储和传递》一期特刊上。

科学家团队开发水下游泳机器人 推动了生物学领域的发展

科学家团队开发水下游泳机器人 推动了生物学领域的发展

机器鱼的每一侧都衬有由类似橡胶的小硅胶腔室制成的柔软的人造肌肉。通过这些口袋,研究人员在每一侧交替输送空气。当一侧的气穴膨胀时,它们会产生曲率,使另一侧的气穴收缩。这会导致机器鱼向右和向左弯曲,使其尾巴摆动,类似于真实鱼看到的波浪状运动模式。


为了测量弯曲度,科学家们嵌入了最先进的软应变传感器,该传感器由一薄层有风微通道组成,该微通道充满液态金属并封装在硅树脂中。现在就像电线一样,可以像电话线一样延伸到900%的长度。空气对执行器的每个硅树脂腔压力越大,传感器放置在弯头上方的次数就越多,并且其液态金属“金属丝”被拉长。然后,科学家将传感器连接到欧姆表以测量电阻。拉伸伸长率越大,“线”内的电阻越高。该数字为科学家提供了有关在一定气压变化下其机鱼弯曲度如何变化的数据。


然后,科学家将这种机器鱼平台放在水箱中的水下。在几个实验中,他们测试了气压控制器如何从传感器读取读数以测量机器人的游泳性能-一个信息循环,该信号循环为控制器内部提供了一种自学习算法,以使正确量的空气通过气动装置口袋,因此游泳可以完美地适应不同的水流速度。


我们开发了一种流体动力学模型,可以预测我们的软机器人鱼的行为。这是基于先前的发现,我们测量了共收缩和身体僵硬游泳时的峰值推力,并测试了前馈起伏运动中的软传感器。本体感受性软感觉反馈使机器人能够响应不同的流动条件。Ardian Jusufi解释说,他是该出版物的相应作者,专门研究软活性物质,仿生物和机器人技术。Jusufi是MPI-IS的“马克斯·普朗克数码谷”研究小组的负责人。我们的项目建立在先前有关软性机器人和游泳机器人的生物机器人建模的几篇合作论文的基础上。要推进建模和闭环控制。


在这项工作中,我们使用了一种简单的方法来构建软机器人鱼的数据驱动模型,并通过控制器设计对其进行了扩展。也可以轻松地扩展该模型,而无需完全重建它,例如,研究机器人的缩放效果或测试不同类型的传感技术,MPI-IS的第一作者,描述了生物机器人和体细胞系统中的运动的Yu-Hsiang Lin。


科学家在他们的出版物中将传感器描述为一种全新的设计技术,并将其标记为“超弹性液态金属应变传感器”。它们是由Park Yong-Lae Park教授及其在首尔国立大学的团队以及哈佛大学的Daniel Vogt共同开发的,是一项真正的创新。在生物学以及软机器人技术中,拥有一个完全软的机器人,我们拥有无限的自由度。这意味着身体的任何部分都可以变形。很难估计鱼的形状如何变化,因为我们不能无限期地确定鱼的形状。在人体上安装的传感器数量也就很多,因为只有关节数量有限的刚性机器人才能做到这一点。


Jusufi继续说道,该机器人将使我们能够测试和完善关于游泳动物神经力学的假设,并帮助我们改进未来的水下机器人。除了首次在水下动态条件下表征软应变传感器外,我们还开发了一种简单而灵活的数据驱动建模方法来设计我们的游泳反馈控制器。该模型将引起科学界和将有助于加快软机器人设计和操作的未来工作。在即将进行的研究中,我们还将在陆上机器人中使用软应变传感器,该传感器可以爬升并克服复杂的障碍。


了解诸如鱼类之类的柔软动物如何游动的潜在机制有助于设计人造的柔软结构,并使其可以用来构建机器人。这种受动物启发的机器人有一天可以用来探索海洋深处,并提供有价值的海洋生物数据,避免产生噪音,并减少传统的刚性推进式潜艇面临的纠缠风险。游泳机器人也可以成为更节能的选择,这就是为什么越来越多的科学家在开发软致动器和传感器上投入大量精力的原因,这些致动器和传感器通过复制水生脊椎动物的运动来不断提高游泳机器人的能力。


具有感官反馈的鱼类复制品提供了对鱼类神经力学及其形态智能的重要见解,从而推动了生物学领域的发展。


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