Вдохновленные биомеханикой манты, исследователи из Университета штата Северная Каролина разработали энергоэффективного мягкого робота, который может плавать более чем в четыре раза быстрее, чем предыдущие плавающие мягкие роботы. Роботов называют «ботами-бабочками», потому что их плавательные движения напоминают движения рук человека, когда он плывет баттерфляем.

«На сегодняшний день плавающие мягкие роботы не могут плавать быстрее, чем одна длина тела в секунду, но морские животные , такие как скаты манта, могут плавать намного быстрее и гораздо эффективнее», — говорит Цзе Инь, автор-корреспондент. документ о работе и доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в штате Северная Каролина. «Мы хотели использовать биомеханику этих животных, чтобы посмотреть, сможем ли мы разработать более быстрых и энергоэффективных мягких роботов. Разработанные нами прототипы работают исключительно хорошо».

Исследователи разработали два типа ботов-бабочек. Один был построен специально для скорости и мог развивать среднюю скорость 3,74 длины тела в секунду. Второй был разработан, чтобы быть очень маневренным, способным делать резкие повороты вправо или влево. Этот маневренный прототип был способен развивать скорость в 1,7 длины тела в секунду.

«Исследователи, изучающие аэродинамику и биомеханику, используют нечто, называемое числом Струхаля, для оценки энергоэффективности летающих и плавающих животных», — говорит Йиндин Чи, первый автор статьи и недавний доктор философии. выпускник штата Северная Каролина. «Пиковая эффективность движения возникает, когда животное плавает или летает с числом Струхаля от 0,2 до 0,4. Оба наших робота-бабочки имели числа Струхаля в этом диапазоне».

Боты-бабочки получают свою плавательную силу от своих крыльев, которые являются «бистабильными», что означает, что крылья имеют два стабильных состояния. Крылышко похоже на заколку для волос. Заколка для волос стабильна до тех пор, пока вы не приложите к ней определенное количество энергии (изгибая ее). Когда количество энергии достигает критической отметки, заколка для волос принимает другую форму, которая также остается стабильной.

В роботах-бабочках бистабильные крылья в виде заколки для волос прикреплены к мягкому силиконовому корпусу. Пользователи контролируют переключение между двумя стабильными состояниями в крыльях, нагнетая воздух в камеры внутри мягкого тела. Когда эти камеры надуваются и сдуваются, тело изгибается вверх и вниз, заставляя крылья щелкать вместе с ним.

«Большинство предыдущих попыток разработать машущих роботов были сосредоточены на использовании двигателей для подачи энергии непосредственно на крылья», — говорит Инь. «В нашем подходе используются бистабильные крылья, которые пассивно приводятся в движение за счет перемещения центрального тела. Это важное отличие, поскольку оно позволяет упростить конструкцию, что снижает вес».

У более быстрого робота-бабочки есть только один «двигатель» — мягкое тело, — которое управляет обоими его крыльями. Это делает его очень быстрым, но трудно поворачивать влево или вправо. Маневренный робот-бабочка по существу имеет два привода, соединенных бок о бок. Эта конструкция позволяет пользователям манипулировать крыльями с обеих сторон или «взмахивать» только одним крылом, что позволяет ему совершать крутые повороты .

«Эта работа — захватывающее доказательство концепции, но у нее есть ограничения», — говорит Инь. «Совершенно очевидно, что нынешние прототипы привязаны тонкими трубками, которые мы используем для нагнетания воздуха в центральные части. В настоящее время мы работаем над созданием автономной версии без привязи».

Статья «Snapping для высокоскоростного и высокоэффективного мягкого пловца, похожего на баттерфляй», будет опубликована 18 ноября в журнале Science Advances с открытым доступом . Статья была написана в соавторстве с Яой Хун, доктором философии. студент штата Северная Каролина; и Яо Чжао и Яньбинь Ли, исследователи с докторской степенью в штате Северная Каролина.