"Два года назад мы продемонстрировали водного мягкого робота, который мог развивать среднюю скорость 3,74 длины тела в секунду", - говорит Цзе Инь, автор статьи об этой работе и доцент кафедры механики и аэрокосмической инженерии в Университете штата Северная Каролина. "Мы усовершенствовали эту конструкцию. Наш новый мягкий робот стал более энергоэффективным и развивает скорость 6,8 длины тела в секунду. Кроме того, предыдущая модель могла плавать только по поверхности воды. Наш новый робот способен плавать вверх и вниз в толще воды".

Мягкий робот имеет плавники, напоминающие по форме плавники ската манта, и изготовлен из материала, который устойчив, когда плавники широко расправлены. Плавники прикреплены к гибкому силиконовому корпусу, который содержит камеру, в которую можно накачивать воздух. Надувание воздушной камеры заставляет плавники сгибаться - аналогично движению вниз, когда манта взмахивает плавниками. Когда воздух выходит из камеры, плавники самопроизвольно возвращаются в исходное положение.

"Нагнетание воздуха в камеру обеспечивает систему энергией", - говорит Хайтао Цин, первый автор статьи и аспирант университета Северной Каролины. "Ребра хотят вернуться в свое стабильное состояние, поэтому выпуск воздуха также высвобождает энергию в ребрах. Это означает, что нам нужен только один привод для робота, что обеспечивает более быстрое приведение в действие".

Изучение гидродинамики скатов также сыграло ключевую роль в управлении вертикальным перемещением мягкого робота.

"Мы наблюдали за плавательными движениями скатов манта и смогли имитировать это поведение, чтобы контролировать, плывет ли робот к поверхности, плывет ли вниз или сохраняет свое положение в толще воды", - говорит Цзячэн Го, соавтор статьи и аспирант Университета Калифорнии. Вирджиния. "Когда манты плывут, они выпускают две струи воды, которые двигают их вперед. Манты изменяют свою траекторию, изменяя движения при плавании. Мы применили аналогичную технологию для управления вертикальным перемещением этого робота-пловца. Мы все еще работаем над техникой, которая даст нам точный контроль над боковыми движениями".

"В частности, моделирование и эксперименты показали нам, что направленная вниз струя, создаваемая нашим роботом, более мощная, чем направленная вверх", - говорит Юаньхан Чжу, соавтор статьи и доцент кафедры машиностроения Калифорнийского университета в Риверсайде. "Если робот быстро взмахнет плавниками, он поднимется вверх. Но если мы снизим частоту срабатывания, это позволит роботу немного опускаться в промежутках между взмахами плавников, что позволит ему либо нырять вниз, либо плавать на той же глубине".

"Еще одним фактором, который играет важную роль, является то, что мы питаем этого робота сжатым воздухом", - говорит Цин. "Это важно, потому что, когда плавники робота находятся в состоянии покоя, воздушная камера пуста, что снижает плавучесть робота. А когда робот медленно машет плавниками, они чаще остаются неподвижными. Другими словами, чем быстрее робот машет плавниками, тем больше времени заполняется воздушная камера, что повышает его плавучесть."

Исследователи продемонстрировали функциональность мягкого робота двумя различными способами. Во-первых, на одной итерации робот смог преодолеть ряд препятствий, расположенных на поверхности и дне резервуара для воды. Во-вторых, исследователи продемонстрировали, что непривязанный робот способен перевозить по поверхности воды полезную нагрузку, включая собственный воздух и источник энергии.

"Это высокотехнологичная конструкция, но основные концепции довольно просты", - говорит Инь. "Наш робот может перемещаться в сложной вертикальной среде всего одним нажатием кнопки. В настоящее время мы работаем над улучшением бокового перемещения и изучаем другие способы приведения в действие, которые значительно расширят возможности этой системы. Наша цель - добиться этого с помощью дизайна, сохраняющего элегантную простоту."

Статья "Реактивные потоки, вызванные спонтанным щелчком, для быстрого, маневренного надводного и подводного пловца с мягкими взмахами" опубликована в открытом доступе в журнале Научные достижения Статья была написана в соавторстве с Йиндингом Чи и Яойе Хонгом, бывшими аспирантами университета Северной Каролины, а также Дэниелом Куинном и Хайбо Донгом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Эта работа была выполнена при поддержке Национального научного фонда в рамках грантов 2126072 и 2329674; и Управления военно-морских исследований в рамках гранта N00014-22-1-2616.