Werktuigbouwkundigen aan de University of Virginia School of Engineering, het leiden van een samenwerking met biologen van Harvard University, hebben de eerste robotvissen gecreëerd waarvan bewezen is dat ze de snelheid en bewegingen van levende geelvintonijn nabootsen.

Hun peer-reviewed artikel, "Tuna-robotica:een hoogfrequent experimenteel platform dat de prestatieruimte van zwemmende vissen verkent, " werd gepubliceerd op 18 september 2019, in Wetenschap Robotica .

Onder leiding van Hilary Bart-Smith, hoogleraar aan de afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van UVA Engineering, het robottonijnproject is ontstaan ​​uit een periode van vijf jaar, $ 7,2 miljoen Multidisciplinair University Research Initiative, het Amerikaanse Office of Naval Research, heeft Bart-Smith toegekend om snel te studeren, efficiënt zwemmen van verschillende vissen. Het doel van het project van Bart-Smith is om de fysica van de voortstuwing van vissen beter te begrijpen, onderzoek dat uiteindelijk zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van de volgende generatie onderwatervoertuigen, aangedreven door visachtige systemen beter dan propellers.

Onderwaterrobots zijn ook nuttig in een reeks toepassingen, zoals defensie, exploratie van mariene hulpbronnen, inspectie van de infrastructuur en recreatie.

Lang voordat bio-geïnspireerde voortstuwingssystemen levensvatbaar kunnen worden voor openbaar en commercieel gebruik in bemande en onbemande voertuigen, echter, onderzoekers moeten betrouwbaar kunnen begrijpen hoe vissen en andere wezens door water bewegen.

"Ons doel was niet alleen om een ​​robot te bouwen. We wilden de wetenschap van biologisch zwemmen echt begrijpen, "Zei Bart-Smith. "Ons doel was om iets te bouwen waarop we hypothesen konden testen in termen van wat biologische zwemmers zo snel en efficiënt maakt."

Het team moest eerst de biologische mechanica van krachtige zwemmers bestuderen. Harvard-biologieprofessor George V. Lauder en zijn team van onderzoekers hebben nauwkeurig de zwemdynamiek van geelvintonijn en makreel gemeten. Met behulp van die gegevens, Bart-Smith en haar team, onderzoekswetenschapper Jianzhong "Joe" Zhu en Ph.D. student Carl White, bouwde een robot die niet alleen onder water als een vis bewoog, maar ook snel genoeg met zijn staart sloeg om bijna gelijke snelheden te bereiken.

Vervolgens vergeleken ze de robot die ze "Tunabot" noemden met levende exemplaren.

"Er zijn veel papieren over visrobots, maar de meeste bevatten niet veel biologische gegevens. Dus ik denk dat dit artikel uniek is in de kwaliteit van zowel het robotwerk als de biologische gegevens die zijn samengevoegd tot één papier, ' zei Lauder.

"Wat zo fantastisch is aan de resultaten die we in de paper presenteren, zijn de overeenkomsten tussen biologie en het robotplatform, niet alleen in termen van de zwemkinematica, maar ook in termen van de relatie tussen snelheid en staartfrequentie en energieprestaties, "Zei Bart-Smith. "Deze vergelijkingen geven ons vertrouwen in ons platform en zijn vermogen om ons te helpen meer te begrijpen over de fysica van biologisch zwemmen."

Het werk van het team bouwt voort op de sterke punten van UVA Engineering op het gebied van autonome systemen. De faculteit Werktuigbouwkunde en Lucht- en Ruimtevaarttechniek neemt deel aan het Link Lab van UVA Engineering voor cyberfysische systemen, die zich richt op slimme steden, slimme gezondheid en autonome systemen, inclusief autonome voertuigen.

Het Tunabot-project is een uitvloeisel van Bart-Smiths tweede, zeer competitief multidisciplinair universitair onderzoeksinitiatief van het Office of Naval Research; in 2008, Bart-Smith ontving een prijs van $ 6,5 miljoen om een ​​onderwaterrobot te ontwikkelen die is gemodelleerd naar een mantarog.

De testen van Tunabot vinden plaats in een groot lab in het Werktuigbouwkundegebouw van UVA Engineering, in een stroomtank die ongeveer een kwart van de kamer in beslag neemt, en aan de Harvard University in een vergelijkbare faciliteit. de oogloze, vinloze replica vis is ongeveer 10 centimeter lang; het biologische equivalent kan wel twee meter lang worden. Een vislijnketting houdt de robot stabiel, terwijl een groen laserlicht over de middellijn van de plastic vis snijdt. De laser meet de vloeiende beweging die de robot afgeeft bij elke beweging van zijn gefabriceerde staart. Naarmate de waterstroom in de stroomtank versnelt, de staart en het hele lichaam van de Tunabot bewegen in een snel buigend patroon, vergelijkbaar met de manier waarop een levende geelvintonijn zwemt.

"We zien tot nu toe in de literatuur over visrobotica dat er echt geweldige systemen zijn die anderen hebben gemaakt, maar de gegevens zijn vaak inconsistent in termen van selectie en presentatie van metingen. Het is gewoon de huidige stand van zaken op het gebied van robotica op dit moment. Ons artikel over de Tunabot is belangrijk omdat onze uitgebreide prestatiegegevens de lat erg hoog leggen, ' zei Wit.

De relatie tussen biologie en robotica is circulair, zei Lauder. "Een van de redenen waarom ik denk dat we een succesvol onderzoeksprogramma op dit gebied hebben, is vanwege de geweldige interactie tussen biologen en robotici." Elke ontdekking in de ene tak informeert de andere, een soort educatieve feedbacklus die zowel de wetenschap als de techniek voortdurend vooruitgaat.

"We gaan er niet van uit dat biologie is geëvolueerd tot de beste oplossing, "Zei Bart-Smith. "Deze vissen hebben lang de tijd gehad om te evolueren naar een oplossing waarmee ze kunnen overleven, specifiek, eten, reproduceren en niet worden gegeten. Niet beperkt door deze eisen, we kunnen ons uitsluitend concentreren op mechanismen en functies die hogere prestaties bevorderen, hogere snelheid, hogere efficiëntie. Ons uiteindelijke doel is om de biologie te overtreffen. Hoe kunnen we iets bouwen dat op biologie lijkt, maar sneller zwemt dan alles wat je daar in de oceaan ziet?"