211service.com
Robot bygger på indsigt i Atlantic Razor Clam Dynamics
Den atlantiske barbermusling bruger meget lidt energi til at grave sig ned i undersøisk jord med høj hastighed. Nu har et detaljeret indblik i, hvordan dyret graver, ført til udviklingen af en robotmusling, der kan udføre det samme trick.
Enheden, kendt som RoboClam, kunne bruges til at grave sig selv ned i jorden for at begrave ankre eller ødelægge undervandsminer, ifølge dens udvikler, Amos Winter, Robert N. Noyce karriereudviklingsassistent professor i maskinteknik ved MIT.
En barbermusling (til venstre) og RoboClam. Foto af Donna Coveny.
På trods af sin stive skal kan den atlantiske barbermusling (Ensis directus) bevæge sig gennem jorden med en hastighed på 1 centimeter i sekundet. Desuden er dyret i stand til at grave op til 0,5 kilometer ved kun at bruge den mængde energi, der er indeholdt i et AA-batteri. Muslingens trick er at flytte dens skaller på en sådan måde, at jorden bliver flydende omkring dens krop, hvilket reducerer modstanden, der virker på den, siger Winter. Det betyder, at det kræver meget mindre kraft at trække sin skal ned i jorden, end det ville, når det bevæger sig gennem statisk jord.
For at udvikle en robot, der kan udføre det samme trick, havde Winter og hans medudvikler, Anette Hosoi, professor i maskinteknik og anvendt matematik ved MIT, brug for at forstå, hvordan muslingens bevægelse får jorden til at blive flydende eller blive til kviksand, ca. dens skal. Nu i et papir, der skal publiceres i tidsskriftet Bioinspiration og biomimetik , afslører forskerne for første gang mekanikken bag denne proces og beskriver, hvordan deres robot er i stand til at efterligne denne handling.
Mekanik af kviksand
Når barbermuslingen begynder at grave, trækker den først sin skal tilbage og frigør spændingen mellem dens krop og jorden omkring den. Dette får jorden til at begynde at kollapse, hvilket skaber et lokaliseret jordskred omkring dyret. Da muslingen fortsætter med at trække sig sammen og reducerer sit eget volumen, suger den vand ind i denne region med svigtende jord. Vand- og sandpartiklerne blandes, hvilket skaber et fluidiseret substrat - kviksand.
Men timingen er afgørende. Hvis muslingen skulle bevæge sin skal for langsomt, ville sandpartiklerne kollapse rundt om dyret uden at fluidisere, siger Winter. Men hvis muslingen bevægede sig for hurtigt, ville det ikke give sandpartiklerne nok tid til at blande sig med vandet, der strømmede forbi, og de ville simpelthen forblive stationære. Vores data viste, at der skete en meget brat overgang fra at kunne fluidisere jorden til slet ikke at flytte jordpartiklerne, siger han.
For at udvikle et lavenergi-forankringssystem, der på denne måde kan skabe kviksand omkring sig selv, byggede forskerne en mekanisk marionet-muslingeskal, bestående af to halvdele, der kan bevæge sig sammen og fra hinanden på samme måde som en harmonika. Dukkemuslingen er forbundet med en stang, som kan åbne og lukke skallen og skubbe den op og ned, hvilket skaber de samme sammentrækninger, som dyret kan opnå.
For at gøre det nemmere at teste deres RoboClam-prototype i saltvand brugte forskerne et trykluftsystem til at drive udvidelsen og sammentrækningen af skallerne. Winters team er nu ved at udvikle en elektronisk version, som vil gøre den kompatibel til brug med undervandsfartøjer udviklet af holdets sponsor, Bluefin Robotics, en MIT spinout baseret i Quincy, Mass.
Energibesparende forankring
Winter begyndte først at udvikle RoboClam til sin ph.d.-forskning i 2006 sammen med Hosoi. Forskerne ønskede at finde en måde at forankre autonome undervandsfartøjer til en havbund eller flodleje uden at forbruge en masse energi. Robotkøretøjer har begrænset batteristrøm, så enhver energi, der forbruges af forankringssystemet, vil reducere enhedens driftstid.
Du kører muligvis disse køretøjer i en strøm og har brug for, at de er stationære - for eksempel for at overvåge en biologisk situation eller til militære formål, siger Winter. Du vil ikke have, at køretøjet konstant drejer sine propeller for at blive på ét sted, fordi det bare spilder energi, så det ville være rart, hvis du bare kunne placere et anker og bevare din position uden at bruge energi.
Udover at forankre undervandsfartøjer og detonere miner, kunne RoboClam også bruges til at lægge undervandskabler, siger Winter. Virksomheder, der lægger transatlantiske kabler, bruger traditionelt et skib til at trække en slæde langs bunden af havet for at grave et trug, lægge kablet og dække det over. Men når havvandets dybde falder til 10 meter eller mindre, bliver det for lavt til, at skibene kan bevæge sig igennem. Det betyder, at menneskelige dykkere skal overtage lægning og nedgravning af kablerne, hvilket er både tidskrævende og dyrt. At have et system, der bare kunne låse sig fast på kablet, arbejde sig frem og automatisk grave det ned i jorden, ville være fantastisk, siger Winter.
Daniel Goldman, en lektor i fysik ved Georgia Institute of Technology, som ikke var involveret i forskningen, siger, at papiret indeholder en smuk integration af biologi og robotteknologi. Den bruger indsigt fra jordbundsfysik til at fremme vores forståelse af biomekanikken bag en imponerende bedrift af organismebevægelse - at grave lodret ned i jorden, siger Goldman.
Ved at opdage et princip bag denne evne - lokaliseret fluidisering - er forskerne i stand til at give en robotgravemusling, RoboClam, lignende evner. Og studiet af robotten giver en dybere indsigt i den vigtige mekanik bag gravning gennem lokaliseret fluidisering, tilføjer han.