En løvefisk svømmer mot strømmen, halen hans beveger seg som en pendel i sakte film. Men denne fisken er ikke som kaldblodige kolleger. Det er en robot, og i stedet for at det renner blod gjennom venene, sirkulerer det en energitett væske til både å strømme batteriene og skyve finnene. Roboten, beskrevet i dag i tidsskriftet Nature, kan være det første trinnet i å adressere to hovedhindringer innen robotikk - kraft og kontroll - med en løsning. Og takket være den energiske væsken som pumper gjennom det pseudo-vaskulære systemet, kan denne roboten være litt mer som oss.
Roboter fungerer vanligvis ikke på samme måte som levende ting gjør. I stedet for et komplisert nettverk av multifunksjonelle deler, har roboter en tendens til å være laget av isolerte komponenter som hver tjener et enkelt formål, forklarer mekanisk ingeniør Robert Shepherd ved Cornell University, hovedetterforsker av den nye studien. For eksempel kan de ha ett system for å adressere strøm og et annet for å kontrollere bevegelse, noe som ikke alltid er effektivt. Derimot er det menneskelige sirkulasjonssystemet multifunksjonelt: Det pumper blod i kroppene våre, og hjelper det med å regulere kroppstemperaturen og transporterer celler for å bekjempe infeksjoner.
Det er eksempler på sirkulasjonssystemer i naturen som er enda mer effektive enn vår egen. Shepherds første inspirasjon for robo-lionfish var faktisk ikke mye av en svømmer. Snarere ble han fascinert av den høytflyvende bar-tailed godwiten, en trekkfugl som han kaller en "superidrettsutøver." En gudekvinne kan fly i en uke uten å stoppe, men dobler først vekten i fett for å forberede seg for flyturen.
"Det satt virkelig fast hos meg at du kan legge energi til et dyr på en multifunksjonell måte - både varmeisolering og lagring av energi, og deretter distribuere den på en måte som er effektiv, " sier Shepherd. "Hvis du sammenligner det med batteriene våre [i roboter], utfører de ofte ikke andre funksjoner enn å gi energi og legge vekt."
Med dette i bakhodet, lurte Shepherd på om det var en måte å lage batterier i roboter til å lykkes med både styring og kontroll. Mange roboter pumper allerede hydrauliske væsker, for eksempel vann, gjennom systemene sine for å utøve kraft som beveger noen av delene deres. Hvis de kunne erstatte en typisk hydraulisk væske med en som lagrer energi, trodde han at væsken da kunne gjøre mer enn bare å lette mekanisk bevegelse. Å bruke en multifunksjonell hydraulikk kan også spare energi på lang sikt, siden tradisjonelle roboter med solide batterier ofte trenger ekstra batteripakker for langvarig drift, noe som gir ekstra vekt og reduserer ytelsen.
Shepherd og teamet hans, som har søkt patent på designen deres, brukte det som kalles sinkjodid redox flow-batterier, som har en flytende elektrolyttløsning i dem som fungerer som en energireserve. Den energirike væsken bidrar til kjemiske reaksjoner som lader batteriet, samtidig som den fungerer som en hydraulisk væske som sirkulerer gjennom løvefisken og beveger finnene. For å tillate bevegelse er finnene laget av fleksible elektroder og en myk silikonhud. Å pumpe hydraulikkvæske inn i den ene siden av halefinnen blåser opp huden og får finnen til å bøye seg rundt de stivere midtpartiene mot den andre siden. Ved å vende retning av væsken bøyer finnen den andre veien, slik at fisken kan svømme når væsken svinger. Brystfinner drives også av væsken, og kan vifte utover, og etterligner finnebevegelsene løvfisk bruker for å kommunisere.
Teamet plasserte løvefisken i en saltvannstank og observerte at roboten kunne svømme mot en strøm. I eksperimenter lot de roboten svømme i opptil to timer, men beregnet at den teoretisk kunne fungere så lenge som 36 timer. De estimerte også at robotens energiytelse var omtrent tre til fire ganger bedre enn en tradisjonell design ved bruk av en normal hydraulisk væske som vann.
Shepherd forklarer at den multifunksjonelle bruken av solide batterier ikke er ny. For eksempel fungerer batteriene i en gaffeltruck som en energikilde, mens de også gir vekt for å stabilisere maskinen under tunge løft. Men den mangfoldige bruken av flytende batterier har ikke blitt utforsket før nå. "Nå som ideen er der ute, " sier Shepherd, "Vi er håpefulle at når folk bruker hydraulikk, kan de spørre: 'Kan jeg bytte ut hydraulikkvæsken med elektrolytisk væske - er det fornuftig med energikostnader kontra vekt tettere væske i systemet mitt? '”
"Ideen om å bruke væsken som batteri er virkelig flott, " sier Robert Katzschmann fra ETH Zurich, en robotist som har jobbet med andre robotfisk, men ikke var involvert i denne forskningen. Imidlertid opprettholder Katzschmann bekymring for batteriets effektivitet, og understreker at konseptet kan vises bedre ut av vannet, der det å unngå ekstra vekt på solide batteripakker blir kritisk uten hjelp av oppdrift.
"I teorien er det flott, fordi du kan lage en robot som ikke er under vann, " sier Katzschmann. “Hvis du vil lage en gående robot, er det litt vanskeligere. Og ingen har vist en helt myk robot som kan fly, så det er fornuftig å vise den under vann som en idé, men det er fortsatt mye arbeid for dem å gjøre. ”
Shepherd er optimistisk når det gjelder forbedring av batteriet. Han understreker at kjemien til batteriet er trygt å håndtere, men "ikke så energitett som det kan være."
"Utfordringen er å øke energitettheten samtidig som den er trygg, " sier han. "Vi vet hvor det kan gå, men vi må reise dit mer forsiktig." Og i likhet med Katzschmann ser han for seg at dette arbeidet vil bidra til fremtidige roboter på land, som muligens kan brukes i søke- og redningsoppdrag. "Vi har laget et strekkbart system, så skjemaet som du for øyeblikket er begrenset til, kan endre seg, " legger Shepherd til. "Visst er fremtiden hybrid-systemer, i det minste for bakkesystemer ... der myke deler brukes til å avføle og legge over elektromekaniske og fluidaktuatorer."
Mens det er mange fremskritt som gjøres innen myk robotikk, foreslår Shepherds løvefisk at ting så langt i det minste beveger seg svømmetur.
