4 марта 2021 года, Пекинское время, обложка ведущего международного журнала Nature, опубликовало последнее исследование бионических глубоководных мягких роботов, совместно проведенное лабораторией Чжицзян Чжэцзянского университета: автономные мягкие роботы в Марианской впадине. Исследовательская группа взяла на себя инициативу в реализации мягких роботов на глубине 10 000 метров и экспериментов по глубоководному автономному плаванию!
Д – р Ли Гожуй, старший научный сотрудник Исследовательского центра интеллектуальной робототехники лаборатории Чжицзян, является первым автором (первое место), Лян Имин, инженер Исследовательского центра интеллектуальной робототехники лаборатории Чжицзян, является вторым автором, профессор Ли Тифэн из Чжэцзянского университета является автором связи, профессор Чжу Шицян и профессор Гу Цзяньцзюнь, Директор лаборатории является соавтором.
Раскройте тайны жизни в глубоком океане и создайте мягких роботов, адаптированных к давлению гидростатической воды на 10 000 метров
Марианская впадина в западной части Тихого океана является самым глубоким из известных океанов с высоким давлением воды, низкой температурой и полной темнотой, известной как « четвертый полюс Земли». По мере того, как технологии глубокого погружения продолжают развиваться, люди обнаруживают, что обширные глубины не умирают. В глубоководной зоне сверхвысокого давления на глубине от 6000 до 11000 метров Марианской впадины по – прежнему обитают сотни видов, типичными представителями которых являются улитки.
Биологические исследования показали, что кости львов тонко распределены в гелеобразном программном обеспечении и могут выдерживать давление около 100 МПа, что эквивалентно 1000 атмосферным давлениям. Неправильная метафора, это огромное давление эквивалентно давлению автомобиля весом около тонны на кончики пальцев. « Экзотическая структура львов дает нам много вдохновения. Если мы сможем превратить « тайну жизни» в глубине океана в « силу машин», мы сможем разработать бионические, программные и миниатюрные интеллектуальные глубоководные роботы, способные адаптироваться к глубоководным экстремальным условиям, которые не только помогут глубоководным исследованиям, но и создадут новые роботы и интеллектуальные устройства. Ли Гожуй говорит, что первоначальные исследования и разработки все еще трудно подавить волнение.
Определены направления исследований. В мае 2018 года Исследовательский центр интеллектуальной робототехники Лаборатории Чжицзян и профессор Ли Тифэн из Центра кросс – механики Чжэцзянского университета запустили исследование бионических глубоководных мягких роботов на основе львов. Основываясь на характеристиках рассеивания и слияния костей головы львов в мягких тканях, команда проекта механически спроектировала структуры и материалы электронных устройств и мягких матриц, а также оптимизировала стрессовое состояние в организме робота в условиях высокого давления. Бионический глубоководный мягкий робот, разработанный командой проекта, выглядит как рыба длиной 22 см и шириной крыла 28 см, что примерно соответствует длине и ширине листа бумаги A4. Жесткие устройства, такие как схемы управления и батареи, интегрированы в гелеобразное программное обеспечение; Проектирование материалов и конструкций регулирующих устройств
Робот может выдерживать гидростатическое давление на глубине 10 000 метров без корпуса под давлением.
« По сравнению с традиционным « бронированным» противогипервольтным глубоководным оборудованием мы разработали бионический глубоководный мягкий робот с новым технологическим маршрутом, который стремится значительно снизить сложность и стоимость глубоководного исследования», – сказал Ли Гожуй.
Прорыв предельных инноваций « Умный искусственный мышечный привод»
Как глубоководные роботы продвигаются вперед? Робот полагается на свою собственную миниатюрную систему управления энергией и диэлектрические эластомеры (DE мускулы) овальной части между крыльями. Когда электроника в силиконовом теле генерирует электрические сигналы, диэлектрические эластомеры, стимулируемые сигналами напряжения, создают мышечные модели деформации, а крылья бионической роботизированной рыбы размахивают по мере расширения и сокращения мышц, приводя робота вперед.
Однако для достижения привода диэлектрических эластомеров в глубоководных районах необходимо преодолеть ослабление электроприводных свойств полимерных материалов при высоком давлении и низких температурах. Команда проекта в сотрудничестве с профессором Ло Инву из Школы химической инженерии и биоинженерии Чжэцзянского университета разработала электрическую искусственную мышцу, способную адаптироваться к экстремальным условиям, таким как глубоководные криогенные и высоковольтные условия. Даже при низких температурах (0 – 4°C) и высоком давлении (110 МПа) в Марианской впадине он работает нормально. Профессор Ли Тьефэн сказал: « Еще одним прорывом в нашем исследовании является разработка интеллектуального мягкого материала с электрическим приводом, который сохраняет хорошие электрические приводные характеристики в условиях высокого давления и низких температур».
Подводя итог, новый бионический глубоководный мягкий робот был создан двумя технологическими прорывами, а именно: гибкой и твердой системой слияния, адаптированной к глубоководному гидростатическому давлению, и новым диэлектрическим эластомерным приводом, адаптированным к глубоководной среде высокого давления и низкой температуры.
Бесстрашные бездны мягкие роботы имеют широкие перспективы применения.
В ходе исследования ряд численных вычислений и большое количество экспериментов по моделированию стрессовой среды подтвердили жизнеспособность программы. Чтобы еще больше продемонстрировать надежность роботов в глубоководной полевой среде, при совместной поддержке Шанхайского морского университета, Института глубоководных исследований Китайской академии наук, Даляньского морского университета, Гуандунского морского геологического бюро и других подразделений, бионические роботы, разработанные проектной группой, последовательно проводили глубоководные испытания в Марианской впадине, Южно – Китайское море и другие моря.
В декабре 2019 года бионический глубоководный мягкий робот сидел на дне Марианской впадины. Записи изображений морских испытаний показывают, что робот достиг стабильного привода на крыле на глубине 10 900 метров в Марианской впадине. Вечером 27 августа 2020 года мягкий робот успешно проплыл самостоятельно на глубине 3224 метра в Южно – Китайском море. « В три часа ночи мы несколько минут смотрели в главной диспетчерской, ожидая запуска робота на морском дне. Когда робот успешно завершил запланированное плавание, висящее сердце, наконец, опустилось, и годы трудных исследований, наконец, достигли знакового прогресса», – сказал Ли Гожуй.
« Наши роботы имеют хорошие перспективы развития и применения в суровых и особых условиях, таких как глубоководные, полярные и высокоударные среды», – сказал Ли Гожуй. В будущем команда проекта продолжит изучать интегрированные системы энергии, привода и восприятия для интеллектуальных устройств глубоководного программного обеспечения, чтобы улучшить интеллект бионических глубоководных мягких роботов и снизить затраты на применение. Лян Имин сказал: « Мы также планируем применить ключевые технологии бионических мягких роботов к подводным аппаратам, разработать миниатюрное глубоководное оборудование и реализовать такие функции, как глубоководная связь и глубоководная разведка».
(Источник: Zhejiang Online)