Студенты-машиностроители поставили перед собой задачу создать роботизированную рыбу, которая не только плавает, как настоящая, но и выглядит реалистично, демонстрируя возможности, присущие мягкой робототехнике.
Когда люди впервые делали роботов, они были неуклюжи, сделаны из листов алюминия и стали, которые мешали им плавно двигаться. Даже на расстоянии не было никакой возможности принять робота за человека или за любой другой тип живого существа.
Используя компьютерное моделирование (CAD), команда студентов-инженеров, работающая с доктором Сатиандрой Гуптой, международным профессором по машиностроению и ассистентом кафедры аэрокосмического и машиностроения, стремилась продвигать приложения робототехники с помощью создание мягкой роботизированной рыбы, которую на расстоянии можно было бы принять за настоящую.
Рыба, названная SCI-FI BOT (вдохновленный робот Sarasa Comb), была создана по образцу золотой рыбки Sarasa Comet. «Это очень распространенная рыба, особенно в Америке. Она облегчит изучение рыбы и ее движений и сделает ее настолько реалистичной, насколько это возможно», – сказал Мишал Парех, второкурсник USC Viterbi.
Эта реальность была достигнута шаг за шагом менее чем за 200 долларов благодаря тяжелой работе двух групп студентов и инженеров-механиков. Запущенная летом 2018 года с первоначальной командой из двух учеников – Анируддха Шембекара и Рохила Аггарвала – которые дали рыбе ее первые элементы, рыба приобрела интуитивное, реалистичное движение и просматривала работу второй команды за последний семестр. Во второй команде были Маниш Шастракар, Илун Юй, Чиен Цай Чен, Мишаал Парех и Джонатан Уилсон.
«Многие пытались создать роботизированную рыбу и раньше, но если вы посмотрите на возможности реальной рыбы, роботизированные версии вообще не очень способны. Основная цель этого проекта состояла в том, чтобы объединить элементы, такие как камера, при этом обеспечив, чтобы рыба имела гибкое, реалистичное внешнее тело, имитирующее фактическое движение золотой рыбки кометы Сараса», – сказал Маниш Шастракар, студент второго курса магистрата и руководитель группы.
Внешность
SCI-FI BOT не легко приобрел привлекательную внешность. Процесс начался с исследования материалов, которые будут подражать возможностям кожи настоящей рыбы. Команда связалась с 3D-принтерами, однако не смогла найти решение, которое было бы экономически эффективным для печати обложек, которое могло бы легко интегрировать цвет и текстуру. Обращаясь к плану B, команда использовала формы, которые они заполнили силиконом для создания внешнего тела рыбы. Позже они усилили эту «шкуру» краской, чтобы воспроизвести цвет и чешую, как у золотой рыбки кометы Сараса.
Движение
Как заставить робота двигаться как настоящая рыба? Вы изучаете реальную версию со всех сторон, в разных средах, и это именно то, что сделала эта команда. В то время как рыба использует несколько различных типов локомоции, студенческая команда решила сосредоточиться на субкарангиформной форме. Это означает, что, когда хвост движется, вы увидите движение вплоть до головы рыбы. Обычно это указывает на то, что тело рыбы более жесткое, давая рыбе скорость, в то время как контроль над маневрами, такими как повороты, снижается. С точки зрения дизайна, это идеально выровнено с более жесткими частями тела, которые были напечатаны в 3D. Это также означало, что для имитации этого типа движения в модели требовалось меньшее количество серводвигателей, соединенных с датчиками для обеспечения точного управления позиционированием.
Чтобы усовершенствовать движение SCI-FI BOT, команда измерила угол частей своего тела к своей продольной оси, когда рыба находилась в движении. Серводвигатели были размещены в каждой из этих точек вращения.
В поисках проблем
Желая получить практический опыт в области робототехники, области, которая предлагает постоянный рост и захватывающие профессиональные возможности, студенты искали Гупту, директора Центра перспективного производства CAM, где студенты строили рыбу, для проекта, который бы мог бросить им вызов.
«Создание рыбы – непростая задача, потому что вы должны быть точны в отношении движения и формы, а также иметь дело с ограничениями пространства», – сказал Юлин Ю, студент второго курса магистратуры. «Робот-рыбка, в частности, дает возможность преодолевать трудности – от разработки программного обеспечения до электрических цепей, от механического проектирования до эстетики. Плюс к этому рыбе приходится работать под водой».
Команда SCI-FI BOT столкнулась со многими из этих проблем, удвоив время автономной работы от предыдущих итераций вдвое (теперь один час) и обеспечив беспроводную зарядку. Далее: работа над контролем глубины и предоставление рыбам автономии – возможность самостоятельно добраться из пункта А в пункт Б.
Тем временем студенты также усвоили ценные уроки о работе в окопах. «Я узнал, что должен быть мастером на все руки. От контактов с поставщиками по поводу рыбьей шкуры до создания модели САПР и редактирования видео нашей работы», – сказал Парех.
Подводный инсайт
Мягкие роботы являются растущей областью, поскольку они считаются более безопасными и маневренными, чем жесткие роботы. В то же время, мягкие роботы ближе к телам людей и животных, что позволяет им легче сливаться.
В частности, роботизированная рыба может использоваться для изучения морской жизни. Биологи, которые в прошлом были ограничены инструментами, которые нарушают морскую флору и фауну своим присутствием, смогут лучше видеть, как рыбы ведут себя и общаются друг с другом, используя таких роботов, как SCI-FI BOT.
«Это ненавязчиво, поэтому легче естественным образом увидеть, что происходит в океане», – сказал Парех.
«С точки зрения исследований, чем ближе вы сможете воспроизвести рыбу, тем лучше мы сможем узнать о том, как рыба плавает, и получить представление об их эффективности. Как они сохраняют энергию или справляются с течением? Мы можем использовать это, чтобы помочь нам спроектировать подводные аппараты”, – сказал Гупта.
