Perutýn plave proti proudu a jeho ocas se pohybuje jako kyvadlo v pomalém pohybu. Ale tato ryba není jako její chladnokrevné protějšky. Je to robot a místo toho, aby krví protékala jeho žilami, cirkuluje energeticky hustou kapalinu, která napájí baterie a tlačí ploutve. Robot, popsaný dnes v časopise Nature, může být prvním krokem při řešení dvou hlavních překážek v robotice - moci a kontroly - s jediným řešením. A díky energetickému čerpání kapalin pseudo-cévním systémem by mohl být tento robot trochu víc jako my.
Roboti obvykle nefungují stejným způsobem jako živé věci. Namísto složité sítě multifunkčních částí mají roboty tendenci být vyrobeny z izolovaných komponentů, z nichž každý slouží jednomu účelu, vysvětluje strojní inženýr Robert Shepherd z Cornell University, hlavní řešitel nové studie. Mohou mít například jeden systém pro určování výkonu a druhý pro řízení pohybu, což není vždy efektivní. Naproti tomu lidský oběhový systém je multifunkční: pumpuje krev do našich těl, a tím také pomáhá regulovat teplotu našeho těla a transportuje buňky v boji proti infekcím.
Existují příklady oběhových systémů v přírodě, které jsou ještě účinnější než naše vlastní. Ve skutečnosti nebyla počáteční inspirace Shepherda robo-perutýn ve skutečnosti velkým plavcem. Spíše ho fascinoval vznášející se bradáč s ocasem, stěhovavý pták, kterého nazývá „super sportovcem“. Kmotr může letět bez zastavení týden, ale nejprve si zdvojnásobí svou hmotnost v tuku, aby se připravil na let.
"To mě opravdu zaseklo, že můžete zvířeti přidat energii multifunkčním způsobem - tepelnou izolaci i akumulaci energie, a poté ji distribuovat způsobem, který je efektivní, " říká Shepherd. "Pokud to porovnáte s našimi bateriemi [u robotů], často nevykonávají žádnou jinou funkci, než poskytují energii a zvyšují hmotnost."
S ohledem na to se Shepherd přemýšlel, jestli existuje způsob, jak baterie v robotech úspěšně řídit jak energii, tak kontrolu. Spousta robotů již čerpá hydraulické kapaliny, jako je voda, prostřednictvím svých systémů, aby aplikovala sílu, která pohybuje některými jejich částmi. Pokud by mohli nahradit typickou hydraulickou kapalinu kapalinou, která uchovává energii, myslel si, že by tekutina mohla udělat víc, než jen usnadnit mechanický pohyb. Použití multifunkční hydrauliky by také mohlo dlouhodobě ušetřit energii, protože tradiční roboti s pevnými bateriemi často potřebují další baterie pro dlouhodobý provoz, což zvyšuje hmotnost a snižuje výkon.
Shepherd a jeho tým, kteří požádali o patent na jejich konstrukci, použili tzv. Redoxové průtokové baterie s jodidem zinečnatým, které mají v nich tekuté elektrolytové řešení, které působí jako energetická rezerva. Kapalina bohatá na energii přispívá k chemickým reakcím, které nabíjí baterii, a zároveň pracuje jako hydraulická kapalina, která cirkuluje přes perutýn a pohybuje její ploutve. Pro umožnění pohybu jsou žebra vyrobena z pružných elektrod a měkké silikonové kůže. Čerpání hydraulické kapaliny do jedné strany ocasní ploutve nafoukne kůži a způsobí, že se ploutev ohne kolem tužších středních částí směrem k druhé straně. Obrácení směru tekutiny ohýbá žebro opačným směrem, takže ryby mohou plavat, když tekutina kmitá. Pektorální ploutve jsou také poháněny tekutinou a mohou se vyfukovat ven, což napodobuje pohyby ploutví, které perutýn používá ke komunikaci.
Při umístění perutýnů do nádrže na slanou vodu tým zjistil, že robot dokáže úspěšně plavat proti proudu. V experimentech nechali robota plavat až dvě hodiny, ale spočítali, že by teoreticky mohl fungovat až 36 hodin. Odhadovali také, že energetický výkon robota byl asi třikrát až čtyřikrát lepší než tradiční konstrukce používající normální hydraulickou kapalinu, jako je voda.
Shepherd vysvětluje, že multifunkční použití pevných baterií není nové. Například baterie ve vysokozdvižném vozíku fungují jako zdroj energie a zároveň poskytují hmotnost, aby stabilizovaly stroj během těžkého zvedání. Rozmanité používání kapalných baterií však dosud nebylo prozkoumáno. "Nyní, když je tu myšlenka, " říká Shepherd, "doufáme, že když lidé používají hydrauliku, mohou se zeptat:" Mohu nahradit hydraulickou kapalinu elektrolytickou tekutinou - dává to smysl nákladům na energii versus hmotnost na hustší tekutina v mém systému? ““
"Myšlenka použití kapaliny jako baterie je opravdu skvělá, " říká Robert Katzschmann z ETH Curych, robotik, který pracoval na jiných robotických rybách, ale nebyl zapojen do tohoto výzkumu. Katzschmann však trvá na obavách o účinnost baterie a zdůrazňuje, že koncept by mohl být lépe předveden z vody, kde vyhnutí se další hmotnosti pevných bateriových modulů bude kritické bez pomoci vztlaku.
"Teoreticky je to skvělé, protože byste mohli vyrobit robota, který není pod vodou, " říká Katzschmann. "Pokud si přejete vyrobit chodícího robota, je to trochu obtížnější." A nikdo neprokázal plně měkkého robota, který dokáže létat, takže má smysl ukázat ho jako nápad pod vodou, ale je tu ještě spousta práce. “
Shepherd je optimistický ohledně vylepšení baterie. Zdůrazňuje, že chemie jejich baterií je bezpečná, ale „ne tak hustá, jak by mohla být.“
„Výzvou je zvýšení energetické hustoty a zároveň bezpečnost, “ říká. "Víme, kam to může jít, ale musíme tam chodit opatrněji." A stejně jako Katzschmann předpokládá, že tato práce přispěje k budoucím robotům na zemi, které by mohly být použity při pátracích a záchranných misích. "Vytvořili jsme roztažitelný systém, takže forma, na kterou jste v současné době omezeni, se může změnit, " dodává Shepherd. "Budoucnost je jistě hybridní systémy, přinejmenším pro pozemské systémy ... kde měkké části se používají pro snímání a překrývání přes elektromechanické a tekutinové pohony."
Zatímco v oblasti měkké robotiky je třeba učinit mnoho pokroků, Shepherdova perutýn naznačuje, že zatím se věci alespoň plavou pohybují.
