Robot kami diilhamkan oleh ubur-ubur bulan biasa. Willyam Bradberry / Shutterstock 

Sebilangan kawasan terakhir di hutan belantara yang masih asli dan belum tersentuh ada di bawah laut. Namun ekosistem laut ini terancam oleh projek perlombongan laut dalam, pelantar minyak dan angin luar pesisir. Apabila kemudahan ini dibina dan dikekalkan, mereka cenderung merosakkan rangkaian ekologi yang kaya di sekitarnya.

Robotik dan jurutera berusaha untuk mengatasi masalah ini, mencari kaedah baru untuk membuat mesin yang mungkin dapat membantu memperbaiki, menyelenggara atau memeriksa komponen bawah laut dari industri luar pesisir yang sedang berkembang. Diketuai oleh rakan sekerja Thierry Bujard dan Gabriel Weymouth dari University of Southampton, pasukan saya telah mendapati penyelesaian untuk masalah ini, merancang robot bawah laut yang diilhamkan oleh perenang paling pintar di alam semula jadi: ubur-ubur bulan yang sangat cekap.

Robot akuatik tradisional direka untuk dua tujuan utama: untuk kecekapan, pelayaran jarak jauh di seberang air terbuka, dan untuk tugas-tugas yang memerlukan kemampuan manuver tinggi dekat dengan struktur terendam. Kedua-dua jenis robot ini berkesan, tetapi hanya sedikit robot yang menggabungkan perjalanan yang cekap dan kemampuan bergerak yang tinggi. Ini bererti kebanyakan robot air terlalu canggung dan kikuk untuk menyokong industri luar pesisir tanpa merosakkan persekitaran bawah laut.

Sememangnya, dengan pengembangan perkembangan luar pesisir ke persekitaran yang semakin rapuh, bahkan robot laut canggih berusaha mengatasi kerumitan misi mereka. Banyak penyelidikan yang sedang dijalankan untuk mengembangkan robot laut dalam yang autonomi, dengan inisiatif seperti Xprize menawarkan dana untuk beberapa idea yang paling menarik.

Mesin marin

Untuk menyahut cabaran ini, para jurutera telah meneliti biologi untuk memberi inspirasi kepada bentuk robotik bawah air yang baru. Setelah berjuta-juta tahun evolusi, logiknya, makhluk akuatik harus menawarkan model untuk membantu mengatasi kelemahan tanaman robot bawah air semasa.

Cara berenang ikan, berdasarkan kepingan sirip yang berbeza, telah menjadi sumber inspirasi utama bagi mereka bereksperimen dengan kenderaan bawah air yang baru. Tetapi mod berenang jet nadi yang disukai oleh ubur-ubur secara meluas dianggap sebagai mekanisme penggerak bawah air yang paling efisien di dunia, menawarkan penyelesaian teknologi yang lebih menarik yang jauh lebih mudah untuk ditiru oleh robotik.

Pengaliran nadi bergantung pada pengembangan dan penguncupan siklik rongga berongga badan spesimen. Sistem ini mendorong pengambilan dan pengusiran air, yang akhirnya memberi ubur-ubur dengan bentuk pendorong.

Walaupun kesederhanaan, strategi berenang ini dapat menghasilkan kelincahan yang luar biasa dan juga menjimatkan tenaga. Sotong terpantas boleh bergerak hingga 8 meter sesaat menggunakan sistem jet nadi, sementara ubur-ubur Aurelia aurita (juga dikenali sebagai ubur-ubur bulan) dikenali perenang paling cekap di planet ini.

Dengan menyalin organisma ini ketika kita membina robot bawah air, kita dapat merancang kenderaan bawah laut baru yang mampu menggabungkan kemampuan manuver tinggi dengan kecekapan yang tidak dapat ditandingi. Dalam kami penyelidikan baru-baru ini, kami mengembangkan robot baru yang diilhami bio yang dapat menandingi kecekapan pendorong dari Aurelia aurita. Untuk melakukan ini, kami meniru prinsip utama yang membolehkan ubur-ubur mencapai kecekapan pendorong yang tinggi: resonans.

Aurelia aurita atau ubur-ubur bulan dianggap sebagai perenang paling cekap di Bumi. Richard A McMillin / Shutterstock

Robotik resonan

Resonans adalah fenomena fizikal yang sering dihadapi dalam banyak aktiviti seharian seperti berjalan, bermain di buaian dan malah menyanyi. Jika kita melihat bandul berayun, misalnya, kita tahu dari pengalaman bahawa ia akan terus berayun hingga berhenti, tergantung pada kedudukan menegak seperti yang ditentukan oleh graviti. Kekerapan bandul disebut sebagai “frekuensi semula jadi”.

Dari pengalaman, kita juga tahu bahawa jika kita ingin pendulum terus bergetar, cara termudah untuk melakukannya adalah dengan memberikan dorongan yang berguna setiap kali mencapai titik ayunannya yang tinggi, sama seperti yang kita lakukan ketika kita mendorong anak lebih tinggi pada buaian. Ketika kita melakukan ini, kita membiarkan bandul atau ayunan "bergema".

Jadi, resonans berlaku apabila daya luaran mempengaruhi sistem pada frekuensi semula jadi, menyebabkan sistem mencapai ayunan amplitud yang lebih besar pada pecahan daya yang diperlukan. Itulah yang menjadikan operasi pada resonans begitu cekap. Kami menerapkan prinsip yang sama pada penekanan robot yang diilhami ubur-ubur kami.

Kami membuat hipotesis bahawa dengan merancang robot ubur-ubur dengan sistem pendorong elastik, kita dapat memanfaatkan frekuensi semula jadi elastik yang ada untuk mendorong mekanisme menjadi resonans. Sebagai gema, robot kami akan mengeluarkan jet berdenyut kuat dengan sebahagian kecil dari kos tenaga.

Robot yang kami kembangkan mempunyai ruang dalaman yang elastik, yang mengembang dan runtuh di bawah pengaruh mekanisme seperti payung. Ketika diuji di tangki air, robot itu didapati meningkatkan kecepatan berenangnya ketika kecepatan di mana ia berdenyut menghampiri frekuensi semula jadi ruang elastik ubur-ubur robot. Ini membuktikan bahawa ubur-ubur robot kami telah mencapai resonans.

Kecekapan sistem yang bergerak sendiri, baik mekanikal atau biologi, didasarkan pada persamaan yang menggabungkan daya yang diserap, kelajuan sistem dan jisimnya. Apabila digunakan pada robot kita, persamaan itu menjadikan ubur-ubur robot kita setara dengan Aurelia aurita ubur-ubur.

Ini adalah hasil yang memberangsangkan dengan kesan dua kali ganda. Di satu pihak, ini menunjukkan untuk pertama kalinya bahawa sistem mekanikal dapat mencapai kecekapan pendorong perenang alam terbaik. Sebaliknya, robot kami telah menjelaskan perenang luar biasa rakan sejawatnya - yang kini dapat membantu ahli biologi kembali ke kajian ubur-ubur dan sotong dengan perspektif yang sama sekali baru.

Dikuasakan oleh sistem yang diilhami oleh perenang alam yang paling cekap, ubur-ubur robot kami menyediakan prototaip robot bawah laut yang dinamik dan cekap, yang mungkin digunakan industri angin luar pesisir untuk mengekalkan bahagian infrastruktur mereka yang terletak di bawah ombak.

Mengenai Pengarang

Francesco Giorgio-Serchi, Felo Canselor dalam Sistem Robotik dan Autonomi, University of Edinburgh

Artikel ini dikemas kini pada 24 Februari 2021 untuk memberi penghargaan kepada pasukan dari University of Southampton yang juga mengusahakan penyelidikan ini.

Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.

Buku-buku yang berkaitan

Pengeluaran: Rancangan Paling Komprehensif yang Pernah Dicadangkan untuk Membalik Pemanasan Global

oleh Paul Hawken dan Tom Steyer
Dalam menghadapi rasa takut dan tidak peduli yang luas, koalisi penyelidik, profesional dan ahli sains antarabangsa telah berkumpul untuk menawarkan satu set penyelesaian yang realistik dan berani terhadap perubahan iklim. Seratus teknik dan amalan dijelaskan di sini-ada yang terkenal; ada yang tidak pernah anda dengar. Mereka terdiri dari tenaga bersih untuk mendidik anak perempuan di negara berpendapatan rendah untuk amalan guna tanah yang menarik karbon dari udara. Penyelesaiannya wujud, bersifat ekonomi, dan masyarakat di seluruh dunia kini menguatkuasakan mereka dengan kemahiran dan keazaman. Tersedia di Amazon

Merancang Penyelesaian Iklim: Panduan Dasar untuk Tenaga Rendah Karbon

oleh Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Dengan kesan perubahan iklim yang menimpa kita, keperluan untuk mengurangkan pelepasan gas rumah kaca global tidak kurang hebatnya. Ini adalah cabaran yang menakutkan, tetapi teknologi dan strategi untuk menanganinya ada sekarang. Sebilangan kecil dasar tenaga, yang dirancang dan dilaksanakan dengan baik, dapat membawa kita ke arah masa depan yang rendah karbon. Sistem tenaga besar dan kompleks, jadi dasar tenaga mesti fokus dan menjimatkan kos. Pendekatan satu ukuran untuk semua tidak akan berjaya. Pembuat dasar memerlukan sumber yang jelas dan komprehensif yang menggariskan dasar tenaga yang akan memberi kesan terbesar pada masa depan iklim kita, dan menerangkan bagaimana merancang polisi ini dengan baik. Tersedia di Amazon

Ini Menukar Semua: Kapitalisme vs Iklim

oleh Naomi Klein
In Ini Menukar Semua Naomi Klein berhujah bahawa perubahan iklim bukanlah satu lagi isu yang perlu difailkan antara cukai dan penjagaan kesihatan. Ini penggera yang menyeru kami untuk memperbaiki sistem ekonomi yang telah gagal dalam banyak cara. Klein dengan teliti membina kes untuk mengurangkan secara besar-besaran pelepasan rumah hijau kami adalah peluang terbaik kami untuk secara serentak mengurangkan ketidaksamaan yang menggerunkan, membayangkan semula demokrasi kami yang patah, dan membina semula ekonomi tempatan kami yang terbuang. Dia mendedahkan keputusasaan ideologi tentang penyangkalan perubahan iklim, khayalan para ahli geoengineers, dan kekalahan tragis terlalu banyak inisiatif hijau arus perdana. Dan dia menunjukkan persis mengapa pasar tidak-dan tidak dapat menyelesaikan krisis iklim tetapi sebaliknya akan membuat keadaan lebih teruk, dengan kaedah ekstraksi yang lebih melampau dan ekologi merosakkan, disertai dengan kapitalisme bencana yang meluas. Tersedia di Amazon

Dari Penerbit:
Pembelian di Amazon pergi untuk membiayai kos membawa anda InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, and ClimateImpactNews.com tanpa sebarang kos dan tanpa pengiklan yang mengesan tabiat melayari anda. Walaupun anda mengklik pada pautan tetapi tidak membeli produk-produk terpilih ini, apa-apa lagi yang anda beli dalam lawatan yang sama di Amazon memberi kami komisen kecil. Tiada kos tambahan untuk anda, jadi sila sumbangkan kepada usaha. Anda juga boleh gunakan pautan ini untuk digunakan untuk Amazon pada bila-bila masa supaya anda boleh membantu menyokong usaha kami.