As arraias inspiram o robô macio nadador mais rápido de todos os tempos

Uma equipe de pesquisadores bateu seu próprio recorde de robô macio nadador mais rápido, inspirando-se nas arraias manta para melhorar sua capacidade de controlar o movimento do robô na água.

“Há dois anos, demonstramos um robô macio aquático que era capaz de atingir velocidades médias de 3,74 comprimentos corporais por segundo”, diz Jie Yin, autor correspondente de um novo artigo sobre o trabalho e professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial na North. Universidade Estadual da Carolina.

“Melhoramos esse design. Nosso novo robô macio é mais eficiente em termos energéticos e atinge uma velocidade de 6,8 comprimentos de corpo por segundo. Além disso, o modelo anterior só conseguia nadar na superfície da água. Nosso novo robô é capaz de nadar para cima e para baixo ao longo da coluna de água.”

A última pesquisa é publicada na revista Avanços da Ciência.

O robô macio tem nadadeiras em formato de arraia manta e é feito de um material que é estável quando as nadadeiras estão bem abertas. As aletas são fixadas a um corpo flexível de silicone que contém uma câmara que pode ser bombeada com ar. Inflar a câmara de ar força as nadadeiras a dobrarem – semelhante ao movimento descendente quando uma manta bate suas nadadeiras. Quando o ar sai da câmara, as aletas voltam espontaneamente à sua posição inicial.

“Bombear ar para dentro da câmara introduz energia no sistema”, diz Haitao Qing, primeiro autor do artigo e Ph.D. estudante da NC State. “As aletas querem retornar ao seu estado estável, então liberar o ar também libera a energia nas aletas. Isso significa que precisamos apenas de um atuador para o robô e permite uma atuação mais rápida.”

O estudo da dinâmica dos fluidos das arraias manta também desempenhou um papel fundamental no controle do movimento vertical do robô macio.

“Observámos o movimento de natação das arraias manta e fomos capazes de imitar esse comportamento para controlar se o robô nada em direção à superfície, nada para baixo ou mantém a sua posição na coluna de água”, diz Jiacheng Guo, coautor do artigo. artigo e um Ph.D. estudante da Universidade da Virgínia.

“Quando as arraias nadam, elas produzem dois jatos de água que as movem para frente. As mantas alteram sua trajetória alterando seu movimento de natação. Adotamos uma técnica semelhante para controlar o movimento vertical deste robô nadador. Ainda estamos trabalhando em técnicas que nos dará um bom controle sobre os movimentos laterais.”

“Especificamente, simulações e experiências mostraram-nos que o jato descendente produzido pelo nosso robô é mais poderoso do que o seu jato ascendente”, diz Yuanhang Zhu, co-autor do artigo e professor assistente de engenharia mecânica na Universidade da Califórnia, Riverside. “Se o robô bater as nadadeiras rapidamente, ele subirá. Mas se diminuirmos a frequência de atuação, isso permitirá que o robô afunde ligeiramente entre o bater das nadadeiras – permitindo que ele mergulhe para baixo ou nade na mesma profundidade.”

“Outro fator que entra em jogo é que estamos alimentando este robô com ar comprimido”, diz Qing. “Isso é relevante porque quando as nadadeiras do robô estão em repouso, a câmara de ar fica vazia, reduzindo a flutuabilidade do robô. E quando o robô bate as nadadeiras lentamente, as nadadeiras ficam em repouso com mais frequência. Em outras palavras, quanto mais rápido o robô bate as asas suas nadadeiras, mais tempo a câmara de ar fica cheia, tornando-a mais flutuante.”

Os pesquisadores demonstraram a funcionalidade do robô flexível de duas maneiras diferentes. Primeiro, uma iteração do robô foi capaz de navegar por um percurso de obstáculos dispostos na superfície e no fundo de um tanque de água. Em segundo lugar, os investigadores demonstraram que o robô sem amarras era capaz de transportar uma carga útil na superfície da água, incluindo a sua própria fonte de ar e energia.

“Este é um projeto de alta engenharia, mas os conceitos fundamentais são bastante simples”, diz Yin. “E com apenas uma única entrada de atuação, nosso robô pode navegar em um ambiente vertical complexo. Agora estamos trabalhando para melhorar o movimento lateral e explorar outros modos de atuação, que irão melhorar significativamente as capacidades deste sistema. Nosso objetivo é fazer isso com um design que mantém aquela simplicidade elegante.”

O artigo foi coautor de Yinding Chi e Yaoye Hong, ex-Ph.D. estudantes da NC State; e por Daniel Quinn e Haibo Dong da UVA.