Рыба-робот

Робот создан, чтобы двигаться как живая рыба

Робот-рыба Джессико в павильоне Франции на Всемирной выставке 2012 в Йосу

Рыба -робот — это тип бионического робота , который имеет форму и движение живой рыбы . Большинство рыб-роботов созданы для имитации живых рыб, которые используют движение хвостового плавника (BCF) , и их можно разделить на три категории: односуставные (SJ), многосуставные (MJ) и «мягкие тела» на основе интеллектуальных материалов . дизайн.

С тех пор, как Массачусетский технологический институт впервые опубликовал исследование по ним в 1989 году, о рыбах-роботах было опубликовано более 400 статей. Согласно этим отчетам, было построено около 40 различных типов рыб-роботов, из которых 30 конструкций способны только переворачиваться и дрейфовать в воде. Наиболее важными частями исследования и разработки рыб-роботов являются совершенствование их управления и навигации, позволяющее им взаимодействовать и «общаться» с окружающей средой, что дает им возможность путешествовать по определенному пути и реагировать на команды, чтобы совершать свои действия. плавники» лоскут. ^{[1] [2] [3]}

Дизайн

Базовая биомиметическая роботизированная рыба состоит из трех частей: обтекаемой головы, тела и хвоста.

• Головка часто изготавливается из жесткого пластика (например, стекловолокна ) и содержит все блоки управления, включая модуль беспроводной связи, батареи и процессор сигналов.
• Корпус может состоять из нескольких сочлененных сегментов, соединенных серводвигателями . Серводвигатели контролируют угол поворота шарнира. В некоторых моделях грудные плавники закреплены по обеим сторонам тела для обеспечения устойчивости в воде.
• Колеблющийся хвостовой (хвостовой) плавник, соединенный шарнирами и приводимый в движение двигателем, обеспечивает движущую силу . ^[4]

Вдохновение для дизайна

Передвижение угря и рыбы

Инженеры часто фокусируются на функциональном дизайне. Например, дизайнеры пытаются создать роботов с гибкими телами (как у настоящей рыбы), способными совершать волнообразные движения. Этот тип тела позволяет рыбе-роботу плавать так же, как плавают живые рыбы, которые могут адаптироваться и обрабатывать сложную окружающую среду. Первая рыба-робот (RoboTuna от MIT) была разработана для имитации структуры и динамических свойств тунца. В попытке получить силу тяги и маневрирования системы управления рыбами-роботами способны управлять телом и хвостовым плавником, придавая им волнообразные движения. ^{[5] [6]}

Чтобы контролировать и анализировать движение роботизированной рыбы, исследователи изучают форму, динамическую модель и боковые движения роботизированного хвоста. Одна из многих форм хвоста, встречающихся у рыб-роботов, имеет форму полумесяца или полумесяца. Некоторые исследования показывают, что такая форма хвоста увеличивает скорость плавания и создает высокоэффективную рыбу-робота.

Задний хвост создает силу тяги, что делает его одной из важнейших частей рыбы-робота. У живых рыб есть мощные мышцы, которые могут генерировать боковые движения для передвижения, в то время как голова остается в относительно неподвижном состоянии. Таким образом, исследователи сосредоточились на кинематике хвоста при разработке движения рыбы-робота. ^[7]

Теория стройного тела часто используется при изучении движения рыб-роботов. Средняя скорость работы боковых движений равна сумме средней скорости работы, необходимой для создания средней тяги, и скорости потери кинетической энергии боковых движений жидкости. Среднюю тягу можно полностью рассчитать по смещению и скорости плавания задней кромки хвостового плавника. ^[8] Эта простая формула используется при расчете передвижения как робота, так и живой рыбы.

Реалистичные двигательные системы могут помочь улучшить автономное маневрирование и повысить качество передвижения. Разнообразный вариант плавников можно использовать при создании рыб-роботов для достижения этой цели. Включив грудные плавники, рыбы-роботы могут выполнять векторизацию силы и выполнять сложные плавательные движения вместо того, чтобы плавать только вперед. ^[9]

Контроль

Многосуставная роботизированная рыба

Формы и размеры плавников у живых рыб сильно различаются, но все они помогают достичь высокого уровня движения в воде. Чтобы рыба-робот могла достичь такого же быстрого и маневренного движения, рыбе-роботу необходимо несколько управляющих поверхностей. Пропульсивные характеристики связаны с положением, подвижностью и гидродинамическими характеристиками рулей. ^[10]

Ключом к управлению многосуставной роботизированной рыбой является создание упрощенного механизма, способного обеспечить разумный уровень контроля. Дизайнеры должны учитывать некоторые важные факторы, в том числе боковые движения тела, кинематические и анатомические данные. Когда дизайнеры имитируют рыбу-робота типа BCF, волновая волна тела рыбы-робота, основанная на звеньях, должна обеспечивать движения, аналогичные движениям живой рыбы. Этот вид управления плаванием на основе объемных волн должен быть дискретным и параметризованным для конкретной плавательной походки. Обеспечить стабильность походки при плавании может быть сложно, а плавный переход между двумя разными походками может оказаться затруднительным для рыб-роботов. ^[11]

Центральная нейронная система, известная как « Центральный генератор шаблонов » (CPG), может управлять многозвенным передвижением рыб-роботов. ЦПГ расположен в каждом сегменте и может соединять и стимулировать сокращение или растяжение мышц. Головной мозг, самая передняя часть мозга у позвоночных, может контролировать входные сигналы для запуска, остановки и поворота. После того, как системы формируют устойчивое движение, сигнал от головного мозга прекращается, и CPG могут создавать и модулировать паттерны движения. ^{[ нужна цитата ]}

Подобно тому, как нейронные сети играют роль в живых рыбах, они используются для управления рыбами-роботами. В проектировании бионических нейронных сетей есть несколько ключевых моментов. Во-первых, бионический пропеллер использует один серводвигатель для приведения в движение сустава, в то время как у рыбы в каждом суставе имеется по две группы мышц. Проектировщики могут реализовать по одному CPG в каждом сегменте для управления соответствующим соединением. Во-вторых, дискретная вычислительная модель стимулирует непрерывные биологические ткани. Наконец, время задержки связи между нейронами определяет межсегментарную фазовую задержку. Функция времени задержки в вычислительной модели необходима. ^[12]

Использование

Изучаем поведение рыб

Достижение последовательного ответа является сложной задачей в исследованиях поведения животных , когда живые стимулы используются в качестве независимых переменных. Чтобы решить эту проблему, роботов можно использовать в качестве постоянных стимулов для проверки гипотез, избегая при этом обучения и использования крупных животных. Управляемые машины можно заставить «выглядеть, звучать или даже пахнуть» как животные. Мы можем лучше воспринимать поведение животных, обратившись к использованию роботов вместо живых животных, поскольку роботы могут производить устойчивую реакцию в виде набора повторяющихся действий. Более того, благодаря различным полевым применениям и большей степени независимости роботы обещают помочь в поведенческих исследованиях в дикой природе. ^{[13] [ собственный источник? ]}

Игрушки

Простая рыба-робот, состоящая из гибкого вязкоупругого тела.

Игрушечные роботы-рыбы — самые распространенные игрушки-роботы на рынке. чаще всего они используются для развлечения, хотя некоторые используются для исследований. Конструкция этих игрушек проста и недорога. Их обычно делят на две категории: автоматические круизные роботы-рыбы и роботы-рыбы с управляемым движением. Самые простые состоят из мягкого тела (МД), мотора (хвоста) и головы (основного электрического элемента управления). Они используют батарею для обеспечения энергией двигателя, обеспечивающего движение, и используют системы дистанционного управления для достижения мощности рулевого управления. Напротив, сложность игрушек и рыб-роботов с целью исследования практически одинакова. Они не только полностью автоматизированы, но и могут имитировать поведение рыб. Например, если вы поместите в воду посторонний предмет с рыбой-роботом, она будет совершать движения, аналогичные движениям настоящей рыбы. Он отодвинется от постороннего предмета и скорость плавания увеличится. По отношению к постороннему объекту она демонстрирует состояние шока и растерянности, как и настоящая рыба. Рыбы-роботы заранее фиксируют такой тип поведения. ^[14]

Применение на АНПА

Военная оборона и защита морской среды вызывают растущую озабоченность в области исследований. Поскольку миссии усложняются, возникает необходимость в высокопроизводительных автономных подводных аппаратах (АНПА). АНПА требуют быстрого движения и многонаправленной маневренности. Роботизированные рыбы более компетентны, чем нынешние АНПА, приводимые в движение движением, потому что рыба представляет собой образец биологических АНПА. Как и живые рыбы, рыбы-роботы могут действовать в сложных условиях. Они могут не только проводить подводные исследования и открывать новые виды, но также спасать и создавать подводные объекты. При работе в опасных условиях роботы-рыбы демонстрируют более высокую производительность по сравнению с другими машинами. Например, в коралловой зоне мягкие рыбы-роботы лучше справляются с окружающей средой. В отличие от существующих AUV, которые не являются гибкими, рыбы-роботы могут получать доступ к узким пещерам и туннелям. ^{[15] [16]}

Образование

Помимо огромного исследовательского потенциала, роботизированные рыбы также демонстрируют множество возможностей для привлечения студентов и широкой общественности. Биороботы ценны и эффективны и могут привлечь студентов к различным областям науки, техники, инженерии и математики. Роботизированные рыбы использовались в качестве вспомогательных образовательных инструментов во всем мире. Например, тысячи молодых людей были привлечены роботами, похожими на карпов, во время недавней выставки в Лондонском аквариуме. Ученые и другие исследователи представляли различные виды рыб-роботов на многих информационных программах, включая первый и второй фестивали науки и техники в США в 2010 и 2012 годах соответственно. На этих мероприятиях посетителям была предоставлена ​​возможность не только увидеть роботизированную рыбу в действии, но и пообщаться с сотрудниками лаборатории, чтобы понять технологию и ее применение. ^[17]

Примеры

«Чарли», робот-сом, созданный ЦРУ.

• В 1990-х годах Управление передовых технологий ЦРУ построило робота-сома по имени «Чарли» в рамках исследования возможности создания беспилотных подводных аппаратов . Робот был разработан для сбора подводной разведки и проб воды, оставаясь при этом незамеченным, и управлялся с помощью беспроводной радиотелефонной трубки прямой видимости. ^[18]
• RoboTuna — это роботизированная рыба , имеющая форму и функции настоящего тунца, которая была спроектирована и построена командой ученых Массачусетского технологического института (MIT). Он имеет сложную систему тросов и шкивов из нержавеющей стали, которые действуют как мышцы и сухожилия. Внешняя часть состоит из гибкого слоя пены, покрытой лайкрой, эластичным полиуретановым волокном, имитирующим гибкость и гладкость кожи тунца. Управляется шестью мощными серводвигателями по две лошадиных силы каждый. Он может регулировать свои движения в режиме реального времени благодаря датчикам силы, расположенным по бокам ребер, которые обеспечивают непрерывную обратную связь с роботом. ^[19]
• Робот Пайк — первая в мире свободно плавающая рыба-робот, разработанная и построенная командой ученых Массачусетского технологического института. Он контролируется вмешательством человека. Сложная компьютерная система интерпретирует команды и передает сигналы каждому двигателю рыбы-робота. Он имеет кожу из силиконовой резины и подпружиненный экзоскелет из стекловолокна, который делает рыбу-робота гибкой. В воде он может ускоряться со скоростью от восьми до двенадцати м/с, но не может избежать препятствий, поскольку не оснащен датчиками. ^[20]
• Роботизированная рыба «Эссекс» была создана учеными из Университета Эссекса. Он может плавать автономно, как настоящая рыба, и достигать различных типов перемещения. Он имеет четыре компьютера, пять двигателей и более десяти датчиков, расположенных в разных местах тела. Он может плавать вокруг аквариума и избегать объектов, а также может адаптироваться к неопределенным и непредсказуемым стимулам в окружающей среде. Он предназначен для широкого спектра применений, включая исследование морского дна, обнаружение утечек в нефтепроводах, исследование морской жизни и шпионаж. ^[21]
• Джессико — подводный робот, созданный французской стартап-компанией Robotswim. Ее длина всего 22 см, что делает ее одной из самых маленьких рыб-роботов в мире. Им очень легко управлять, он может двигаться назад, менять цвет и имитировать поведение живой рыбы. Благодаря этим функциям он может делиться эмоциями и даже взаимодействовать с людьми. Он демонстрирует искусственный интеллект и потенциальное использование средств связи, что дает ему возможность плавать с более чем десятью рыбами, создавать захватывающую хореографию и световые эффекты, используя плавники для навигации по воде. Оно продемонстрировало, что маленькая рыба-робот может плавать автономно часами. ^[22]
• Робот-рыба SPC-03 был разработан Китайской академией наук (CASIA). Он может плавать на расстоянии 1,23 метра от управляющего источника в воде. Он устойчив, имеет мельчайшую конструкцию и управляется техническими специалистами удаленно. Он может работать от 2 до 3 часов под водой на максимальной скорости 4 км/ч. Рыба может снимать и передавать фотографии, выполнять картографирование подводных фондов и транспортировать небольшие предметы. ^[23]
• Робот-кои был спроектирован и разработан компанией Ryomei Engineering из Хиросимы, Япония. Его рост 80 сантиметров, вес 12 кг, управление осуществляется дистанционно. Робот-кои можно использовать для изучения концентрации кислорода в воде с помощью датчиков, расположенных на его рту. Он может собирать информацию о других видах окружающей среды, плавая среди них и сообщая о здоровье рыб. Оснащенный камерой, он может фиксировать ресурсы, находящиеся на глубине воды. Его также можно использовать для обследования повреждений мостов и нефтяных платформ под водой. ^[24]

Робот-рыба: iSplash -II

• В 2014 году iSplash -II был разработан аспирантом Ричардом Джеймсом Клэпхэмом и профессором Хуошэн Ху из Университета Эссекса. Это была первая роботизированная рыба, способная превзойти настоящую карангиформную рыбу, рыбу, которая слегка двигает головой, но создает значительную амплитуду движений в направлении хвоста, с точки зрения средней максимальной скорости (измеренной в длине тела в секунду) и выносливости. ^[25] iSplash -II достиг скорости плавания 11,6BL/с (т.е. 3,7 м/с). ^[26] Первая сборка, iSplash -I (2014 г.), была первой роботизированной платформой, в которой применялось плавательное движение в форме гусеницы во всю длину тела , которое, как было обнаружено, увеличивало скорость плавания на 27% по сравнению с традиционным подходом с использованием задней ограниченной формы волны. ^[27]

Рекомендации

1. Ю, Цзюньчжи; Тан, Мин (2015). «Проектирование и управление многосуставной роботизированной рыбой». В Ду, Руксу; Ли, Чжэн; Юсеф-Туми, Камаль; Вальдивия и Альварадо, Пабло (ред.). Рыбы-роботы: подводные роботы, похожие на рыб, созданные на основе биотехнологий . Спрингерские трактаты по машиностроению. стр. 93–117. дои : 10.1007/978-3-662-46870-8_4. ISBN 978-3-662-46869-2.
2. Ю, Цзюньчжи; Ван, Чен; Се, Гуанмин (2016). «Координация использования нескольких роботов-рыб с применением их для соревнований подводных роботов». Транзакции IEEE по промышленной электронике . 63 (2): 1280–8. дои : 10.1109/TIE.2015.2425359. S2CID  31599369.
3. Нгуен, Фи Луан; Ли, Бён Рён; Ан, Кён Кван (2016). «Анализ тяги и скорости плавания робота-рыбы с неоднородным гибким хвостом». Журнал бионической инженерии . 13 : 73–83. дои : 10.1016/S1672-6529(14)60161-X. S2CID  110144051.
4. Чжан, Дайбин; Ху, Дьюэн; Шен, Линчэн; Се, Хайбин (2008). «Разработка искусственной бионической нейронной сети для управления движением рыбы-робота». Нейрокомпьютинг . 71 (4–6): 648–54. doi : 10.1016/j.neucom.2007.09.007.
5. Ван, Тяньмяо; Вэнь, Ли; Лян, Цзяньхун; Ву, Гуаньхао (2010). «Нечеткое управление завихрением биомиметической роботизированной рыбы с использованием хлопающего полулунного хвоста». Журнал бионической инженерии . 7 : 56–65. дои : 10.1016/S1672-6529(09)60183-9. S2CID  135741678.
6. Бутайл, Сачит; Полверино, Джованни; Фамдуй, Пол; Дель Сетте, Фаусто; Порфири, Маурицио (2014). «Влияние размера, конфигурации и активности косяка роботов на поведение рыбок данио в среде свободного плавания». Поведенческие исследования мозга . 275 : 269–80. дои : 10.1016/j.bbr.2014.09.015. PMID  25239605. S2CID  20755024.
7. Нгуен, Фи Луан; До, Ван Фу; Ли, Бён Рён (2013). «Динамическое моделирование неоднородного гибкого хвоста роботизированной рыбы». Журнал бионической инженерии . 10 (2): 201–209. дои : 10.1016/S1672-6529(13)60216-4. S2CID  137685845.
8. Нгуен, Фи Луан; Ли, Бён Рён; Ан, Кён Кван (2016). «Анализ тяги и скорости плавания рыборобота с неоднородным гибким хвостом». Журнал бионической инженерии . 1 : 73–83. дои : 10.1016/S1672-6529(14)60161-X. S2CID  110144051.
9. Равалли, Андреа; Росси, Клаудио; Маррацца, Джованна (2017). «Биологический робот-рыба на основе химических датчиков». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 239 : 325–9. дои :10.1016/j.snb.2016.08.030.
10. Сиддалл, Р; Ковач, М (2014). «Запуск AquaMAV: биоинспирированный дизайн воздушно-водных роботизированных платформ». Биоинспирация и биомиметика . 9 (3): 031001. Бибкод : 2014BiBi....9c1001S. дои : 10.1088/1748-3182/9/3/031001. hdl : 10044/1/19963 . PMID  24615533. S2CID  21175991.
11. Нгуен, Фи Луан; До, Ван Фу; Ли, Бён Рён (2013). «Динамическое моделирование и эксперимент робота-рыбы с гибким хвостовым плавником». Журнал бионической инженерии . 10 : 39–45. дои : 10.1016/S1672-6529(13)60197-3. S2CID  109405322.
12. Чжан, Дайбин. «Разработка искусственной бионической нейронной сети для управления передвижением рыбы-робота». ДокСлайд .
13. "РобоТуна". 11 сентября 2009 г.
14. https://www.youtube.com/watch?v=31E8ywyUCrw ^{[ нужна полная ссылка ]}
15. Лю, Цзиндун; Ху, Хуошэн (2010). «Биологическое вдохновение: от карангиформной рыбы к многосуставной роботизированной рыбе». Журнал бионической инженерии . 7 : 35–48. CiteSeerX 10.1.1.193.4282 . дои : 10.1016/S1672-6529(09)60184-0. S2CID  11802468. 
16. Вэнь, Л; Ван, ТМ; Ву, Г.Х.; Лян, Дж. Х. (2012). «Гидродинамическое исследование самоходной роботизированной рыбы на основе метода управления с силовой обратной связью». Биоинспирация и биомиметика . 7 (3): 036012. Бибкод : 2012BiBi....7c6012W. дои : 10.1088/1748-3182/7/3/036012. PMID  22556135. S2CID  6565585.
17. Ван, Цзяньсюнь (2014). Роботизированные рыбы: разработка, моделирование и применение для мобильного зондирования (кандидатская диссертация). Мичиганский государственный университет. ОКЛК  921153799.
18. «Чарли: Робот-рыба ЦРУ — Центральное разведывательное управление» . www.cia.gov . Архивировано из оригинала 16 августа 2013 года . Проверено 12 декабря 2016 г.
19. «Архивная копия». Архивировано из оригинала 29 ноября 2016 г. Проверено 12 декабря 2016 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )^{[ нужна полная цитата ]}
20. http://www.robotic-fish.net/index.php?lang=en&id=robots#top ^{[ нужна полная ссылка ]}
21. http://www.computerweekly.com/news/2240086124/University-of-Essex-robotic-fish-enter-IET-awards ^{[ нужна полная ссылка ]}
22. http://www.robotswim.com/index.php?id=jessiko&id2=projet&lan=en ^{[ нужна полная ссылка ]}
23. Чоудхури, Абхра Рой (2014). Моделирование и управление биоинспирированным роботизированным подводным аппаратом-рыбой. Подводные роботы нового поколения (кандидатская диссертация).^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
24. https://www.telegraph.co.uk/technology/3345303/Robot-koi-carp-designed-to-get-up-close-and-Friendly-with-real-fish.html ^{[ нужна полная цитата ]}
25. «Высокоскоростная роботизированная рыба | iSplash» . isplash-робот . Проверено 7 января 2017 г.
26. «iSplash-II: реализация быстрого гуглевидного плавания, чтобы превзойти настоящую рыбу» (PDF) . Группа робототехники в Университете Эссекса. Архивировано из оригинала (PDF) 30 сентября 2015 г. Проверено 29 сентября 2015 г.
27. «iSplash-I: высокоэффективное плавательное движение карангообразной роботизированной рыбы с координацией всего тела» (PDF) . Группа робототехники в Университете Эссекса. Архивировано из оригинала (PDF) 30 сентября 2015 г. Проверено 29 сентября 2015 г.