Інженери надихнулися рибами-причепами, наділили дрон присосками та відправили його політати і поплавати. У воді він зміг причепитися до стінок акваріуму, а вилетівши з озера, приклеївся до скелі поруч. Крім того, він зміг поплавати і разом з іншим роботом, до якого пристав під час руху у воді. Вчені сподіваються, що дрон зможе брати участь у дослідженнях морського життя. Стаття з ним опублікована у журналі Science Robotics.
Lei Li et al. / Science Robotics, 2022
Як змусити дрон плавати?
Роботи набагато менш вибагливі щодо умов праці, а тому є найзручнішим рішенням, якщо йдеться про екстремальні середовища. Тож роботи вже доволі давно пристосовані для досліджень як під водою, так і у космосі. Однак їм не достає універсальності, тому інженери шукають рішень, які б допомогли їхнім розробкам безперешкодно змінювати одне екстремальне середовище на інше. Так і з'являються зокрема роботи-амфібії, що вміють працювати і на суші, і у воді, та навіть у повітрі.
Хоча більшість таких роботів являють собою радше крилаті плавучі конструкції, які за необхідності вистрибують з води або, навпаки, занурюються у неї лише на короткий час, а для пересування послуговуються реактивним рухом. Проблемою виступає те, що однаково добре пересування і у воді, і у повітрі вимагає різних конструкційних підходів. Але оскільки зазвичай за польоти у робототехніці відповідають дрони, які не вимагають складних конструкцій, але відрізняються їхньою різноманітністю, можливість пристосувати їх до підводного життя є доволі привабливою.
Автори цього дослідження, вчені Пекінського університету та Імперського коледжу Лондона, зазначають, що зупинилися саме на конструкції з гвинтами з огляду на її стабільність, низьку вартість та простоту експлуатації.
Lei Li et al. / Science Robotics, 2022
До чого тут риби-причепи?
Головною проблемою для безпілотних роботизованих місій зазвичай є енергетичні обмеження. Безперервний політ або плавання вимагає або значного акумулятора на борту, або якогось способу витрачати менше енергії. І одним з можливих рішень є «режим відпочинку» для роботів — навчити їх займати стаціонарне положення, але продовжувати виконувати свої інші задачі, як наприклад, спостереження. Підходів для цього існує безліч: від магнітів до клею і натхнених восьминогами присосок. Однак вони зазвичай мають обмежений діапазон поверхонь, до яких можуть причепитися, а сили зчеплення не вистачає на рухомі об'єкти.
А власне можливість паразитувати на чомусь рухомому, щоб зекономити собі енергії на самостійний рух, була б у пригоді. І в пошуках адаптовного, надійного і головне з можливістю відчеплення приклеювання, дослідники звернулися до риб родини Причепові. Це ті, що можуть подорожувати верхи на акулах, китах та іноді навіть на дайверах, чіпляючись до них за допомогою спинного диска, який еволюціонував у присоску.
Можливості риби-причепи і її присоска. Lei Li et al. / Science Robotics, 2022
Використавши високошвидкісну камеру вчені поспостерігали за причепою смугастою, яка без проблем прикріпилася як до гладкої, так і пористої поверхні акваріума навіть під наркозом. З'ясувалося, що таку адгезивність рибі забезпечують невеликі пластинки ламели, які піддатливо з'єднуються з поверхнею під будь-яким кутом, і тим самим створюють нижчий тиск, приклеюючи рибу. Дослідивши морфологічні особливості цієї клейкої конструкції у риб, інженери виготовили прототип з чотирьох функціональних шарів. Найм'якший шар з'єднує пластинки, які імітують ламелі, та край диска, забезпечуючи приклеювання і на нерівних поверхнях. Рух ламелям забезпечує мережа гідростатичних камер, яка надійно закріплює диск герметичним сполученням. У ході експериментів прототип безперешкодно приклеївся до телефона, окулярів, скотчу і шорсткої черепашки.
До чого причепився дрон?
Щоб ефективно переходити від підводного життя до повітряного, дрону необхідно виставити свої пропелери над поверхнею води та швидко розігнати їх до високої швидкості обертання, щоб створити силу, достатню для підйому його з води. І аби максимально скоротити цей етап, автори роботи створили гвинти, які складаються у воді та розгортаються у повітрі. У повітрі вони перетворюються на звичні для дронів гвинти, а у воді згинаються у лопаті, щоб забезпечувати ефективне плавання. Так з-під води дрон вилітає за 0,35 секунди, а у воду занурюється за 0,13 секунди.
Гвинти для польотів перетворюються на лопаті для плавання. Lei Li et al. / Science Robotics, 2022
Крім того, інженери змусили його і пострибати з води і назад, подібно до дельфінів або летючих риб: так дрон сім разів за 2,9 секунди вистрибував з 30-сантиметрової глибини на 30-сантиметрову висоту. Взявши з собою на борт підводну камеру, він познімав морських гребінців, водорості та раків-самітників. У воді дрон також почувався доволі впевнено і поплавав на глибині півтора метра, демонструючи свою маневровість в басейні у «вісімках» і «зірочках».
Для 950-грамового дрона вистачило виготовленої за прикладом риби-причепи наклейки розміром 40 на 40 на 14 сантиметрів. З нею він зміг попідіймати з глибини різні предмети, зачепитися за більшого підводного робота, який рухався на глибині зі швидкістю 4,3 метра на секунду, а також приклеїтися до каменів біля озера і вигнутих та похилих поверхонь дахів будівель. Цікаво, що підводного робота дрону довелося наздоганяти: він за десять секунд від'єднався від поверхні, до якої приклеївся раніше, розігнався і наздогнав робота, до низу якого причепився, знову перемикнувшись у «режим відпочинку», де він вимикає гвинти. За оцінками вчених, прилипання порівняно із зависанням на місці знижує витрати енергії у 51,7 раза у повітрі та у 19,2 раза у воді. На момент написання статті, найдовше приклеєним диск-присоска для дрона провів близько 50 годин часу, а сам дрон пробув приклеєним більше восьми годин.
Lei Li et al. / Science Robotics, 2022
Як відчепитися від дрона?
На відміну від риб, які самі контролюють свою приклеюваність, дрону для цього знадобилися два додаткові механізми. Зокрема дві гідравлічні системи для ламелей та вигину клейкого диска, а також тросова система з мотором, яка за необхідності, щоб відклеїтися, скручує край диска. Поки дрон може працювати у воді на глибині до 2,2 метра через обмеження у зв'язку. Однак за словами інженерів, у майбутньому вони планують розширити підходи автономного керування прототипом, а також покращать його сприйняття, щоб він самостійно міг визначатися із поверхнями, які варті приклеювання.
Дрон поплавав морським дном, причепився до підводного робота і позбирав зразки водоростей з дна. Lei Li et al. / Science Robotics, 2022
Дрони так подобаються інженерам, що вони не гребують пристосовувати їх до все більшої кількості завдань. Наприклад, дрон на пташиних ніжках може чіплятися за дерева, щоб продовжувати з них стеження або відпочивати, а може хапати цими кінцівками вантаж. А танкоподібний дрон на гусеницях після польотів може і поїздити, долаючи так більші відстані.