Pez robot - Robot fish
Un pez robot es un tipo de robot biónico que tiene la forma y la locomoción de un pez vivo. Desde que el Instituto de Tecnología de Massachusetts publicó por primera vez una investigación sobre ellos en 1989, se han publicado más de 400 artículos sobre peces robot. Según estos informes, se han construido aproximadamente 40 tipos diferentes de peces robot, con 30 diseños que solo tienen la capacidad de voltearse y flotar en el agua. La mayoría de los peces robot están diseñados para emular a los peces vivos que utilizan la propulsión de la aleta caudal del cuerpo (BCF) . El pez robot BCF se puede dividir en tres categorías: articulación única (SJ), articulación múltiple (MJ) y diseño inteligente basado en materiales. Las partes más importantes de la investigación y el desarrollo de peces robot son avanzar en su control y navegación, lo que les permite 'comunicarse' con su entorno, lo que les permite viajar a lo largo de un camino en particular y responder a los comandos para hacer sus 'aletas'. solapa.
Diseño
El pez robótico biomimético básico se compone de tres partes: una cabeza aerodinámica, un cuerpo y una cola.
- El cabezal suele estar hecho de un material plástico rígido (es decir, fibra de vidrio ) y contiene todas las unidades de control, incluido un módulo de comunicación inalámbrica, baterías y un procesador de señales.
- El cuerpo puede estar hecho de múltiples segmentos articulados, que están conectados por servomotores . Los servomotores controlan el ángulo de rotación de la articulación. Algunos diseños tienen aletas pectorales fijadas a ambos lados del cuerpo para garantizar la estabilidad en el agua.
- Una aleta caudal (cola) oscilante conectada con articulaciones y accionada por un motor proporciona fuerza motriz .
Inspiración de diseño
Los ingenieros suelen centrarse en el diseño funcional. Por ejemplo, los diseñadores intentan crear robots con cuerpos flexibles (como peces reales) que pueden exhibir movimientos ondulantes. Este tipo de cuerpo permite al pez robot nadar de manera similar a como nadan los peces vivos, lo que puede adaptarse y procesar un entorno complicado. El primer pez robot (RoboTuna del MIT) fue diseñado para imitar la estructura y las propiedades dinámicas de un atún. En un intento por ganar empuje y fuerzas de maniobra, los sistemas de control de peces robot son capaces de controlar el cuerpo y la aleta caudal, dándoles un movimiento similar a una ola.
Para controlar y analizar el movimiento robótico de los peces, los investigadores estudian la forma, el modelo dinámico y los movimientos laterales de la cola robótica. Una de las muchas formas de cola que se encuentran en los peces robot es semilunar o en forma de media luna. Algunos estudios muestran que este tipo de forma de cola aumenta la velocidad de natación y crea un pez robot de alta eficiencia.
La cola posterior crea una fuerza de empuje, lo que la convierte en una de las partes más importantes del pez robot. Los peces vivos tienen músculos poderosos que pueden generar movimientos laterales para la locomoción mientras la cabeza permanece en un estado relativamente inmóvil. Por lo tanto, los investigadores se han centrado en la cinemática de la cola al desarrollar el movimiento de un pez robot.
La teoría del cuerpo delgado se usa a menudo al estudiar la locomoción de los peces robot. La tasa media de trabajo de los movimientos laterales es igual a la suma de la tasa media de trabajo disponible para producir el empuje medio y la tasa de desprendimiento de energía cinética de los movimientos laterales del fluido. El empuje medio se puede calcular completamente a partir del desplazamiento y la velocidad de nado en el borde de fuga de la aleta caudal. Esta sencilla fórmula se utiliza para calcular la locomoción tanto del robot como de los peces vivos.
Los sistemas de propulsión realistas pueden ayudar a mejorar las maniobras autónomas y exhibir un mayor nivel de rendimiento de locomoción. Se puede utilizar una opción diversa de aletas en la creación de peces robot para lograr este objetivo. Al incluir las aletas pectorales, los peces robot pueden realizar vectores de fuerza y realizar comportamientos de natación complejos en lugar de nadar solo hacia adelante.
Control
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Las formas y tamaños de las aletas varían drásticamente en los peces vivos, pero todas ayudan a lograr un alto nivel de propulsión a través del agua. Para que los peces robot logren el mismo tipo de propulsión rápida y maniobrable, los peces robot necesitan múltiples superficies de control. El rendimiento de propulsión está relacionado con la posición, la movilidad y las características hidrodinámicas de las superficies de control.
La clave para controlar un pez robótico de articulaciones múltiples es crear un mecanismo simplificado que pueda generar una cantidad razonable de control. Los diseñadores deben considerar algunos factores importantes, incluidos los movimientos laterales del cuerpo, los datos cinemáticos y los datos anatómicos. Cuando los diseñadores imitan un pez robot de tipo BCF, la onda corporal basada en enlaces del pez robot debe proporcionar movimientos similares a los de un pez vivo. Este tipo de control de natación basado en ondas corporales debe ser discreto y parametrizado para una forma de andar de natación específica. Asegurar la estabilidad de la marcha al nadar puede ser difícil, y la transición sin problemas entre dos aires diferentes puede ser complicado en los peces robot.
Un sistema neuronal central conocido como " Generador de patrones central " (CPG) puede gobernar la locomoción de peces robóticos multienlace. La GPC se encuentra en todos los segmentos y puede conectar y estimular los músculos que se contraen o estiran. El cerebro, la parte más anterior del cerebro en los vertebrados, puede controlar las señales de entrada para arrancar, detenerse y girar. Una vez que los sistemas forman una locomoción constante, la señal del cerebro se detiene y las CPG pueden producir y modular los patrones de locomoción.
De manera similar a su papel en los peces vivos, las redes neuronales se utilizan para controlar los peces robot. Hay varios puntos clave en el diseño de redes neuronales biónicas. Primero, la hélice biónica adopta un servomotor para impulsar una articulación, mientras que el pez tiene dos músculos de grupo en cada articulación. Los diseñadores pueden implementar una GPC en cada segmento para controlar la articulación correspondiente. En segundo lugar, un modelo computacional discreto estimula los tejidos biológicos continuos. Finalmente, el tiempo de retraso de conexión entre neuronas determina el retraso de fase intersegmental. La función de tiempo de retraso en el modelo computacional es necesaria.
Usos
Estudiar el comportamiento de los peces
Lograr una respuesta consistente es un desafío en los estudios de comportamiento animal cuando se utilizan estímulos vivos como variables independientes. Para superar este desafío, los robots se pueden usar como estímulos consistentes para probar hipótesis mientras se evita el entrenamiento y uso de animales grandes. Se puede hacer que las máquinas controlables "parezcan, suenen o incluso huelan" como animales. Podemos obtener una mejor percepción del comportamiento animal recurriendo al uso de robots en lugar de animales vivos porque los robots pueden producir una respuesta constante en un conjunto de acciones repetibles. Además, con varias implementaciones de campo y un mayor grado de independencia, los robots tienen la promesa de ayudar a los estudios de comportamiento en la naturaleza.
Juguetes
Los peces robot de juguete son los juguetes robot más comunes en el mercado. se utilizan con mayor frecuencia para el entretenimiento, aunque algunos se utilizan para la investigación. El diseño de estos juguetes es sencillo y económico. Por lo general, se dividen en dos categorías: pez robot de crucero automático y pez robot de movimiento controlado. Los más simples consisten en un cuerpo blando (MJ), motor (cola) y cabezal (elemento de control eléctrico básico). Usan una batería para proporcionar energía para que el motor produzca movimiento y usan los sistemas de control remoto para lograr la potencia de la dirección. Por el contrario, la complejidad de los juguetes y los peces robot, con el propósito de investigar, es casi la misma. No solo están completamente automatizados, sino que pueden simular el comportamiento de los peces. Por ejemplo, si pones un objeto extraño en el agua con el pez robot, se producirá un movimiento similar al de un pez real. Se alejará del objeto extraño y aumentará la velocidad de la natación. Muestra un estado de conmoción y confusión ante el objeto extraño como lo haría un pez real. Los peces robot registran este tipo de comportamiento de antemano.
Aplicación en AUV
La defensa militar y la protección marina son motivo de creciente preocupación en el campo de la investigación. A medida que las misiones se vuelven más complicadas, los vehículos submarinos autónomos (AUV) de alto rendimiento se vuelven necesarios. Los AUV requieren una propulsión rápida y maniobrabilidad multidireccional. Los peces robóticos son más competentes que los AUV actuales propulsados por el movimiento porque el pez es un paradigma de AUV bioinspirados. Al igual que los peces vivos, los peces robot pueden operar en entornos complejos. No solo pueden realizar exploración submarina y descubrir nuevas especies, sino que también pueden salvar y establecer instalaciones submarinas. Cuando se opera en entornos peligrosos, los peces robot muestran un rendimiento superior en comparación con otras máquinas. Por ejemplo, en la zona de coral, los peces robóticos blandos pueden hacer frente mejor al medio ambiente. A diferencia de los AUV existentes que no son flexibles, los peces robot pueden acceder a cuevas y túneles estrechos.
Educación
Además de su vasto potencial para la investigación, los peces robóticos también muestran muchas oportunidades para involucrar a los estudiantes y al público en general. Los robots bioinspirados son valiosos y efectivos, y pueden atraer a los estudiantes a diversas áreas de la ciencia, la tecnología, la ingeniería y las matemáticas. Los peces robóticos se han utilizado como herramientas educativas auxiliares en todo el mundo. Por ejemplo, miles de jóvenes se sintieron atraídos por los robots con forma de carpa durante una exhibición reciente en el Acuario de Londres. Los científicos y otros investigadores han presentado varios tipos de peces robóticos en muchos programas de divulgación, incluido el primer y segundo festivales de ciencia e ingeniería de EE. UU., En 2010 y 2012, respectivamente. En estos eventos, los visitantes tuvieron la oportunidad no solo de ver al pez robótico en acción, sino que también interactuaron con los miembros del laboratorio para comprender la tecnología y sus aplicaciones.
Ejemplos de
- En la década de 1990, la Oficina de Tecnologías Avanzadas de la CIA construyó un pez gato robótico llamado "Charlie" como parte de un estudio sobre la viabilidad de los vehículos submarinos no tripulados . El robot fue diseñado para recolectar inteligencia subacuática y muestras de agua sin ser detectado, y fue controlado por un teléfono inalámbrico con línea de visión.
- El RoboTuna es un pez robótico con la forma y función del atún real, que fue diseñado y construido por un equipo de científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Tiene un complicado sistema de cables y poleas de acero inoxidable que actúan como músculos y tendones. El cuerpo exterior está compuesto por una capa flexible de espuma recubierta de Lycra, una fibra elástica de poliuretano, para emular la flexibilidad y tersura de la piel de atún. Está controlado por seis potentes servomotores de dos caballos de fuerza cada uno. Puede ajustar sus movimientos en tiempo real gracias a los sensores de fuerza colocados en el costado de las nervaduras que proporcionan retroalimentación continua al robot.
- Robot Pike es el primer pez robot de natación libre del mundo diseñado y construido por un equipo de científicos del MIT. Está controlado por la intervención humana. El complejo sistema informático interpreta los comandos y devuelve las señales a cada motor del pez robot. Tiene una piel compuesta de caucho de silicona y un exoesqueleto de fibra de vidrio enrollado por resorte que hace que el pez robot sea flexible. Puede acelerar a una velocidad de ocho a doce m / s en el agua, pero no puede evitar obstrucciones porque no está equipado con sensores.
- El pez robótico de Essex fue construido por científicos de la Universidad de Essex. Puede nadar de forma autónoma como un pez real y lograr diferentes tipos de desplazamiento. Tiene cuatro computadoras, cinco motores y más de diez sensores colocados en varios lugares del cuerpo. Puede nadar alrededor de un tanque y evitar objetos, y también puede adaptarse a estímulos inciertos e impredecibles en su entorno. Está destinado a tener una amplia gama de usos, incluida la exploración de los fondos marinos, la detección de fugas en los oleoductos, la exploración de la vida marina y el espionaje.
- Jessiko es un robot submarino creado por la empresa francesa Robotswim. Mide solo 22 cm de largo, lo que lo convierte en uno de los peces robóticos más pequeños del mundo. Es muy fácil de controlar, puede viajar hacia atrás, cambiar de color e imitar el desempeño de los peces vivos. Debido a estas funciones, puede compartir emociones e incluso interactuar con las personas. Exhibe inteligencia artificial y usos potenciales de comunicación, lo que le da la capacidad de nadar con más de diez peces para crear emocionantes coreografías y efectos de luz, utilizando aletas para navegar por el agua. Ha demostrado que un pequeño pez robot puede nadar de forma autónoma durante horas.
- El Pez Robótico SPC-03 fue diseñado por la Academia China de Ciencias (CASIA). Puede nadar a 1,23 metros de la fuente de control en el agua. Es estable, de partículas en su diseño y está controlado de forma remota por técnicos. Puede trabajar de 2 a 3 horas sumergido a la velocidad máxima de 4 km / h. Los peces pueden capturar y transferir fotos, realizar cartografía de los fondos submarinos y transportar pequeños objetos.
- El Koi robótico fue diseñado y desarrollado por Ryomei Engineering de Hiroshima, Japón. Mide 80 centímetros y pesa 12 kg, y se controla a distancia. El Robotic Koi se puede utilizar para estudiar la concentración de oxígeno en el agua a través de los sensores ubicados en su boca. Puede recopilar información sobre las otras especies de su entorno nadando entre ellas e informando sobre la salud de los peces. Equipado con una cámara, puede registrar los recursos presentes en las profundidades del agua. También podría usarse para inspeccionar los daños a puentes y plataformas petrolíferas bajo el agua.
- En 2014, iSplash -II fue desarrollado por el estudiante de doctorado Richard James Clapham y el profesor Huosheng Hu en la Universidad de Essex. Fue el primer pez robótico capaz de superar al pez carangiforme real, un pez que mueve la cabeza ligeramente pero desarrolla una considerable amplitud de movimiento hacia la cola, en términos de velocidad máxima promedio (medida en longitudes corporales / segundo) y resistencia. iSplash -II alcanzó velocidades de nado de 11,6 BL / s (es decir, 3,7 m / s). La primera construcción, iSplash- I (2014) fue la primera plataforma robótica en aplicar un movimiento de natación carangiforme de cuerpo completo , que se encontró que aumenta la velocidad de nado en un 27% sobre el enfoque tradicional de una forma de onda confinada posterior.