Studenten werktuigbouwkunde daagden zichzelf uit om een ​​robotvis te maken die niet alleen zwemt als een echte vis, maar ziet er ook goed uit het demonstreren van de mogelijkheden die inherent zijn aan zachte robotica.

Toen mensen voor het eerst robots bedachten, ze waren onhandig, gemaakt van platen van aluminium en staal waardoor ze niet vloeiend konden bewegen. Zelfs op afstand, er was geen kans om een ​​robot te verwarren met een mens - of een ander soort levend wezen.

Met behulp van computer-aided design (CAD) modellering, een team van student-ingenieurs, werken met Dr. Satyandra K. Gupta, Smith International Professor in Mechanical Engineering en associate voorzitter van de afdeling Aerospace and Mechanical Engineering, streefde ernaar om toepassingen van robotica vooruit te helpen door een zachte robotvis te creëren die, van een afstand, voor een echte zou worden aangezien.

De vis, genaamd SCI-FI BOT (Sarasa Comet Inspired Fish Robot), werd gemodelleerd naar de Sarasa Comet Goldfish. "Het is een super gewone vis, vooral in Amerika. Het zal het gemakkelijker maken om de vis en zijn bewegingen te bestuderen, en maak het zo realistisch mogelijk, " zei Mishaal Parekh, een USC Viterbi tweedejaars.

Die realiteit werd stap voor stap bereikt voor minder dan $ 200, door het harde werk van twee groepen afgestudeerde en niet-gegradueerde studenten werktuigbouwkunde. Gelanceerd in de zomer van 2018 met een eerste team van twee studenten - Aniruddha Shembekar en Rohil Aggarwal - die de vis zijn rudimentaire elementen gaven, de vis kreeg zijn intuïtie, realistische beweging en kijk door het werk van een tweede team, over het afgelopen semester. Het tweede team omvatte Manish Shastrakar, Yilun Yu, ChienTzai Chen, Mishaal Parekh, en Jonathan Wilson.

"Velen hebben eerder geprobeerd robotvissen te maken, maar als je kijkt naar de mogelijkheden van een echte vis, robotversies zijn helemaal niet capabel. Het belangrijkste doel van dit project was om elementen als een camera, terwijl ervoor gezorgd werd dat de vis een flexibele, realistisch buitenlichaam en bootste de daadwerkelijke beweging van een Sarasa Comet Goldfish na, " zei Manish Shastrakar, een tweedejaars masterstudent en teamleider.

Verschijning

SCI-FI BOT kreeg zijn mooie uiterlijk niet gemakkelijk. Het proces begon met onderzoek naar materialen die de mogelijkheden van echte vissenhuid zouden nabootsen. Het team nam contact op met 3D-printers, echter, konden geen kosteneffectieve oplossing vinden voor het printen van skins die kleur en textuur naadloos konden integreren. Overgaand op plan B, het team gebruikte mallen die ze vulden met siliconen - dat flexibel en rekbaar is - om het buitenlichaam van de vis te maken. Later verbeterden ze deze "huid" met verf om de kleur en schalen te repliceren die verwacht worden in een Sarasa Comet Goldfish.

Beweging

Hoe laat je een robot bewegen als een echte vis? Je bestudeert de echte versie vanuit elke hoek, in verschillende omgevingen, dat is precies wat dit team deed. Terwijl vissen verschillende soorten voortbeweging gebruiken, het studententeam koos ervoor om zich te concentreren op de sub-carangiform. Dit betekent, terwijl de staart beweegt, je zult beweging zien tot aan de kop van de vis. Gebruikelijk, dit geeft aan dat het lichaam van de vis stijver is, de vis snelheid geven terwijl hij controle heeft over manoeuvres, zoals bochten, zijn verminderd. Vanuit een ontwerpperspectief, dit perfect afgestemd op de stijvere delen van het lichaam, die werden 3D geprint. Het betekende ook dat een kleiner aantal servomotoren - motoren gekoppeld aan sensoren voor nauwkeurige controle van de positionering - nodig waren om dit type beweging in het model na te bootsen.

Om de beweging van SCI-FI BOT te perfectioneren, het team mat de hoek van zijn lichaamsdelen met zijn eigen lengteas toen de vis in beweging was. Op elk van deze draaipunten werden servomotoren geplaatst.

Uitdagingen zoeken

Met een verlangen om praktische ervaring op te doen in robotica, een veld dat voortdurende groei en opwindende professionele kansen biedt, studenten zochten Gupta op, Directeur van het Center for Advanced Manufacturing (CAM) (waar studenten de vis bouwden), voor een project dat hen zou boeien en uitdagen.

"Een vis maken is geen gemakkelijke taak, omdat je specifiek moet zijn over de beweging en de vorm en omgaan met ruimtebeperkingen, " zei Yulin Yu, een tweedejaars masterstudent. "Een robotvis, vooral, biedt de mogelijkheid om uitdagingen te overwinnen, variërend van softwareontwerp tot elektrische circuits tot mechanisch ontwerp tot esthetiek. Dit alles plus de vis moet onder water werken."

Het SCI-FI BOT-team heeft veel van deze uitdagingen aangegaan, de levensduur van de batterij van de vorige iteraties met het dubbele verlengen (nu een uur) en ervoor zorgen dat het opladen draadloos kan plaatsvinden. De volgende stap:werken aan dieptecontrole en de vis autonomie geven - de mogelijkheid om zelf van punt A naar B te komen.

Ondertussen, studenten leerden ook waardevolle lessen over het werken in de loopgraven. "Wat ik heb geleerd was een manusje van alles te zijn. Van contact opnemen met leveranciers voor de vissenhuid tot het maken van het CAD-model tot het bewerken van de video van ons werk, ’ zei Parekh.

Underwater Insights

Soft robots are a growing field, as they are viewed to be safer and easier to maneuver than hard robots. Tegelijkertijd, soft robots have a closer likeness to human and animal bodies, allowing them to more easily blend in.

A robotic fish, vooral, could be used to study marine life. Biologists, who have in the past been limited by tools that disturb marine life with their presence, will be better able to see, up close, how fish behave and communicate with each other using robots like SCI-FI BOT.

"It's unobtrusive, so it's easier to get a natural look at what is going on in the ocean, " said Parekh.

Verder dan dat, what we learn could help us in improving how we ourselves navigate bodies of water.

"From a research perspective, the more closely you can replicate the fish, the better we can learn about how fish swim—gaining understanding of their efficiencies. How do they conserve energy or deal with the current? We can use this to help us design underwater vehicles, " said Gupta.

Voor nu, SCI-FI BOT continues practicing laps at the surface.