Als iemand je zou vragen om als een robot te bewegen en je zou reageren met vloeiende balletkunsten, zou je publiek in verwarring raken, maar technisch gezien zou je gelijk hebben. Robots staan bekend om hun rigide bewegingseigenschappen, wat in sommige toepassingen nuttig is, maar het aanpassingsvermogen kan belemmeren. Nu hebben onderzoekers robotvleugels ontwikkeld die als geen ander bewegen.
Met behulp van een combinatie van zachte robotica en biomimicry heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Southampton, de Universiteit van Edinburgh en de Technische Universiteit Delft robotvleugels ontwikkeld die onder water met buitengewone vloeibaarheid bewegen. Vleugels hebben een huid die kan ‘voelen’ en zich kan aanpassen aan verstoringen.
Universiteit van Southampton
Het is voor robots moeilijker om onder water te bewegen dan op land. Om te beginnen is water 800 keer dichter dan lucht. Deze dichtheid versterkt krachten zoals weerstand en extra massa, waardoor bewegingen langzamer, energie-intensiever en moeilijker te controleren worden. Bovendien is het water zelden kalm en veranderen de snelheid en richting van het water rond het voertuig vaak zeer snel en onvoorspelbaar.
Bij op afstand bediende voertuigen (ROV’s) en autonome onderwatervoertuigen (AUV’s) die bijvoorbeeld een pad proberen te volgen of een positie proberen te behouden tijdens het uitvoeren van inspecties of reparaties, kunnen deze storingen ertoe leiden dat het voertuig plotseling de stabiliteit verliest en uit koers raakt. Ingenieurs hebben deze uitdaging traditioneel overwonnen door stijve, gestroomlijnde voertuigen met actieve controlesystemen te gebruiken. Er is ook onderzoek gedaan naar systemen van zacht materiaal om omgevingskrachten passief te absorberen.
Deze oplossingen hebben echter hun eigen problemen. Hoe agressiever de robot interferentie bestrijdt, hoe meer stroom hij verbruikt. Bovendien zijn mechanische systemen die herhaaldelijk vleugels of gewrichten bewegen ook onderhevig aan slijtage en vermoeidheid. Zonder geïntegreerde detectie of feedback zullen soft-only-systemen beperkt zijn in hun vermogen om op snelle veranderingen te reageren en de juiste manoeuvreerbaarheid te behouden. Kortom, bestaande oplossingen reageren te langzaam, vergen te veel energie of kunnen zich niet soepel genoeg aanpassen aan de voortdurend veranderende onderwaterstromingsomstandigheden.
Aan de andere kant gedijen vissen en vogels onder dezelfde omstandigheden, sierlijk dartelend te midden van de chaos. Hoe? Het onderzoeksteam vond het antwoord in proprioceptie: het vermogen van dieren om vloeibare krachten waar te nemen en erop te reageren. Vissen en vogels kunnen de positie en vervorming van hun eigen vleugels of vinnen waarnemen en deze in realtime aanpassen om de stabiliteit te behouden.
Universiteit van Southampton
Geïnspireerd door deze mogelijkheid heeft het team een zachte robotvleugel ontwikkeld die zijn eigen vorm kan waarnemen terwijl hij door het water beweegt. Het systeem is opgebouwd rond flexibele vleugels van zachte materialen, waardoor ze kunnen buigen en vervormen als gevolg van vloeistofkrachten. In tegenstelling tot stijve draagvleugelboten die bestand zijn tegen plotselinge stromingen, buigen deze flexibele structuren eenvoudigweg, waardoor ze passief een deel van de verstoringen absorberen en de destabiliserende krachten die op het voertuig inwerken, verminderen.
“In plaats van ‘hardere’ robots te maken die zijn ontworpen om de kracht van de zee te weerstaan, wenden we ons tot slimmere, zachtere machines die in synergie met het milieu werken”, zegt Leo Micklem, hoofdauteur van het artikel.
Om ‘zelfbewustzijn’ en actieve controle over de vleugels te bieden, integreerde het team een proprioceptieve elektronische ‘huid’ rechtstreeks in de structuur. Deze dunne laag silicium bevat vloeibare metaalelektroden die in een gestreept patroon zijn gerangschikt en als zenuwen functioneren. Wanneer de vleugel wordt gebogen, verandert de afstand tussen deze elektroden, waardoor de elektrische capaciteit verandert en het systeem in realtime vleugelvervorming kan waarnemen.
Twee onder druk staande hydraulische buizen in het vleugellichaam reageren op deze sensorische feedback en passen automatisch de stijfheid en de welving van de vleugel aan wanneer de vorm afwijkt van de gewenste toestand. Het resultaat is een hybride passief-actief systeem: de natuurlijke flexibiliteit van de vleugel absorbeert automatisch een deel van de verstoringen, terwijl de sensorhuid en actuatoren corrigeren wat overblijft, waardoor een stabiele beweging behouden blijft.
Universiteit van Southampton
Tijdens het testen voerde het team stromingsfluctuaties uit op vleugels van verschillende vormen en groottes, waarbij de resultaten werden vergeleken met een standaard rigide vleugelontwerp en een basisontwerp van zachte vleugels zonder proprioceptieve mogelijkheden.
De resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift npj Roboticazeer indrukwekkend. Naast dat ze consequent een soepeler traject behouden, verminderen de proprioceptieve zachte vleugels ongewenste liftimpulsen tegen verstoringen met 87% in vergelijking met de stijve vleugels van conventionele AUV’s. Een stijve vleugel ervaart plotselinge destabilisatie, terwijl een passieve zachte vleugel zonder detectie en controle moeite heeft om te herstellen van grotere stromingsverstoringen.
Dus waarom zijn proprioceptieve robotvleugels zoiets? Met de extra stabiliteit die de vleugels bieden, kunnen AUV’s efficiënter en nauwkeuriger navigeren en een verscheidenheid aan onderwatertaken uitvoeren, van reparaties tot bewaking en inspectie. Bovendien verminderen de vleugels de stroombehoefte van de AUV, waardoor ingenieurs compactere AUV’s kunnen ontwerpen. In wezen brengt deze technologie robotsystemen dichter bij het aanpassingsvermogen en de veerkracht van de natuur, waardoor de deur wordt geopend voor autonome robots die veiliger, efficiënter en capabeler zijn in reële omstandigheden.
Bron: Universiteit van Southampton
