Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и их коллеги, в том числе один из первоначальной команды RoboTuna, разработали инновационный подход к созданию деформируемых подводных роботов, используя простые повторяющиеся подструктуры вместо уникальных компонентов. Команда продемонстрировала новую систему в двух различных конфигурациях примеров, одна из которых похожа на угря, а другая - на крылообразное судно на подводных крыльях. Однако сам принцип допускает практически неограниченные вариации формы и масштаба, говорят исследователи.

Отчет о проделанной работе публикуется в журнале Мягкая робототехника, в статье научного сотрудника Массачусетского технологического института Альфонсо Парра Рубио, профессоров Майкла Триантафиллу и Нила Гершенфельда и шести других.

Существующие подходы к мягкой робототехнике для морских применений, как правило, разрабатываются в небольших масштабах, в то время как для многих полезных приложений в реальном мире требуются устройства метрового масштаба. Новая модульная система, предлагаемая исследователями, может быть легко расширена до таких размеров и далее, не требуя такого рода переоснащения и редизайна, которые потребовались бы для масштабирования существующих систем.

"Масштабируемость - наша сильная сторона", - говорит Парра Рубио. Учитывая низкую плотность и высокую жесткость решетчатых элементов, называемых вокселями, которые составляют их систему, по его словам, "у нас есть больше возможностей для дальнейшего расширения", в то время как большинство используемых в настоящее время технологий "полагаются на материалы высокой плотности, сталкивающиеся с серьезными проблемами" при переходе к большим размерам.

Отдельные воксели в экспериментальных устройствах команды, подтверждающих концепцию, в основном представляют собой полые конструкции, состоящие из литых пластиковых деталей с узкими распорками сложной формы. Коробчатые формы выдерживают нагрузку в одном направлении, но мягки в других - необычное сочетание, достигаемое за счет смешивания жестких и гибких компонентов в разных пропорциях.

"Противопоставление мягкой и жесткой робототехники - это ложная дихотомия", - говорит Парра Рубио. "Это нечто среднее, новый способ конструирования вещей". Гершенфельд, глава Центра битов и атомов Массачусетского технологического института, добавляет, что "это третий способ, сочетающий в себе лучшие элементы обоих".

"Плавная гибкость поверхности корпуса позволяет нам реализовать регулирование потока, которое может уменьшить лобовое сопротивление и повысить эффективность движения, что приводит к существенной экономии топлива", - говорит Триантафиллу, профессор океанологии и инженерии Генри Л. и Грейс Доэрти, входивший в команду RoboTuna.

В одном из устройств, созданных командой, воксели прикреплены впритык в длинный ряд, образуя метровую змееподобную структуру. Корпус состоит из четырех сегментов, каждый из которых состоит из пяти вокселов, с приводом в центре, который может тянуть за провод, прикрепленный к каждому из двух вокселов с обеих сторон, сжимая их и заставляя конструкцию изгибаться. Затем вся конструкция из 20 блоков покрывается ребристой несущей конструкцией, а затем плотно прилегающей водонепроницаемой неопреновой обшивкой. Исследователи разместили конструкцию в буксировочном баке Массачусетского технологического института, чтобы продемонстрировать ее эффективность в воде, и продемонстрировали, что она действительно способна генерировать поступательную тягу, достаточную для продвижения вперед с помощью волнообразных движений.

"Раньше существовало много роботов, похожих на змей", - говорит Гершенфельд. "Но они, как правило, состоят из компонентов, изготовленных на заказ, в отличие от этих простых строительных блоков, которые являются масштабируемыми".

Например, Парра Рубио говорит, что змееподобный робот, построенный НАСА, был составлен из тысяч уникальных деталей, тогда как для змеи этой группы "мы показываем, что их около 60 штук". И по сравнению с двумя годами, потраченными на проектирование и сборку MIT RoboTuna, это устройство было собрано примерно за два дня, говорит он.

Другое устройство, которое они продемонстрировали, представляет собой крылообразную форму, или подводное крыло, состоящее из множества таких же вокселов, но способное изменять форму своего профиля и, следовательно, управлять отношением подъемной силы к лобовому сопротивлению и другими свойствами крыла. Такие крылообразные формы можно было бы использовать для самых разных целей, начиная от получения энергии от волн и заканчивая повышением эффективности корпусов судов - насущная потребность, поскольку судоходство является значительным источником выбросов углекислого газа.

Форма крыла, в отличие от змеиной, покрыта множеством чешуевидных накладывающихся друг на друга плиток, предназначенных для придавливания друг к другу для поддержания водонепроницаемости, даже когда крыло меняет свою кривизну. Одним из возможных применений может быть какое-либо дополнение к профилю корпуса судна, которое могло бы уменьшить образование вихрей, вызывающих лобовое сопротивление, и, таким образом, повысить его общую эффективность, возможность, которую команда изучает совместно с коллегами из судоходной отрасли.

В конечном счете, эта концепция может быть применена к подводному аппарату, похожему на кита, используя его изменяемую форму корпуса для создания движителя. Такое судно, которое могло бы избежать непогоды, оставаясь под поверхностью, но без шума и турбулентности, свойственных обычным двигателям. Эта концепция также может быть применена к частям других судов, таким как гоночные яхты, где наличие киля или руля направления, которые могли бы плавно изгибаться во время поворота вместо того, чтобы оставаться прямыми, могло бы обеспечить дополнительное преимущество. "Вместо того, чтобы быть жестким или просто иметь закрылки, если вы действительно сможете изгибаться так, как это делают рыбы, вы сможете гораздо эффективнее изменять свой путь на повороте", - говорит Гершенфельд.

В исследовательскую группу входили Диксия Фан из Университета Уэстлейк в Китае; Бенджамин Дженетт, 15 лет, доктор философии 20 лет из Discrete Lattice Industries; Хосе дель Агила Феррандис, Амира Абдель-Рахман и Дэвид Прейсс из Массачусетского технологического института; и Филиппос Турломусис из Исследовательского центра Demokritos в Греции. Работа была поддержана Исследовательской лабораторией армии США, финансированием консорциумов CBA и программой морских грантов Массачусетского технологического института.