Phát triển một Robot Cá Mới với Hệ Thống Truyền Động Từ Tính
Tóm tắt
Trong nghiên cứu này, một con cá robot được phát triển với cảm hứng từ các loại bơi carangiform. Thiết bị này giới thiệu một hệ thống truyền động mới sử dụng tương tác từ trường của nam châm vĩnh cửu để đảm bảo khả năng chống nước và ngăn ngừa mọi quá tải cho cấu trúc và động cơ điều khiển. Cơ chế này chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động dao động. Hệ thống dao động này, cùng với cơ chế kéo bằng dây của đuôi, tạo ra sóng đi cần thiết trong cá robot. Con cá robot bơi tự do hoàn chỉnh, có chiều dài 179 mm và khối lượng chỉ 77 g, đã có khả năng duy trì tư thế đúng và độ nổi trung tính trong nước. Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện để kiểm tra hiệu suất của cá robot. Nó có thể bơi với tốc độ tối đa là 0,73 chiều dài cơ thể mỗi giây (0,13 m/s) với tần số đập đuôi là 3,25 Hz và mức tiêu thụ điện năng là 0,67 W. Hơn nữa, cá robot đã chạm đến giới hạn trên của phạm vi bơi hiệu quả, được thể hiện qua số Strouhal không có kích thước: 0,43 tại tần số đập đuôi 1,75 Hz. Năng lượng thấp nhất cần để di chuyển 1 mét là 4,73 Joules cho mẫu thử nghiệm cuối cùng. Các công việc trong tương lai sẽ tập trung vào việc trang bị cho robot khả năng tự cung cấp năng lượng và điều hướng, cũng như kiểm tra tiềm năng của nó cho các ứng dụng thực tế như giám sát môi trường và tương tác giữa động vật - robot.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Yang, 2018, The grand challenges of science robotics, Sci. Robot., 3, eaar7650, 10.1126/scirobotics.aar7650
Morimoto, 2018, Biohybrid robot powered by an antagonistic pair of skeletal muscle tissues, Sci. Robot., 3, eaat4440, 10.1126/scirobotics.aat4440
Romano, 2019, A review on animal–robot interaction: From bio-hybrid organisms to mixed societies, Biol. Cybern., 113, 201, 10.1007/s00422-018-0787-5
Romano, 2017, Multiple cues produced by a robotic fish modulate aggressive behaviour in Siamese fighting fishes, Sci. Rep., 7, 4667, 10.1038/s41598-017-04840-0
Kopman, 2013, Closed-loop control of zebrafish response using a bioinspired robotic-fish in a preference test, J. R. Soc. Interface, 10, 20120540, 10.1098/rsif.2012.0540
Phillips, 2017, Robot Fish: Bio-inspired Fishlike Underwater Robots, Underw. Technol., 34, 143, 10.3723/ut.34.143
Romano, 2019, Fighting fish love robots: Mate discrimination in males of a highly territorial fish by using female-mimicking robotic cues, Hydrobiologia, 833, 185, 10.1007/s10750-019-3899-6
Worm, 2021, Electric signal synchronization as a behavioural strategy to generate social attention in small groups of mormyrid weakly electric fish and a mobile fish robot, Biol. Cybern., 115, 599, 10.1007/s00422-021-00892-8
Brown, 2021, Archerfish respond to a hunting robotic conspecific, Biol. Cybern., 115, 585, 10.1007/s00422-021-00885-7
Bierbach, 2020, Guppies Prefer to Follow Large (Robot) Leaders Irrespective of Own Size, Front. Bioeng. Biotechnol., 8, 441, 10.3389/fbioe.2020.00441
Porfiri, 2019, Can robotic fish help zebrafish learn to open doors?, Proc. SPIE, 10965, 109650B
Raj, 2016, Fish-inspired robots: Design, sensing, actuation, and autonomy-A review of research, Bioinspiration Biomim., 11, 031001, 10.1088/1748-3190/11/3/031001
White, 2021, Tunabot Flex: A tuna-inspired robot with body flexibility improves high-performance swimming, Bioinspiration Biomim., 16, 026019, 10.1088/1748-3190/abb86d
Kim, E.J., and Youm, Y. (May, January 6). Design and dynamic analysis of fish robot: PoTuna. Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, New Orleans, LA, USA.
Masoomi, 2015, The kinematics and dynamics of undulatory motion of a tuna-mimetic robot, Int. J. Adv. Robot. Syst., 12, 83, 10.5772/60059
Zhu, 2019, Tuna robotics: A high-frequency experimental platform exploring the performance space of swimming fishes, Sci. Robot., 4, 34, 10.1126/scirobotics.aax4615
Wang, J., Tran, H., Christino, M., White, C., Zhu, J., Lauder, G., Bart-Smith, H., and Dong, H. (August, January 28). Hydrodynamics and flow characterization of tuna-inspired propulsion in forward swimming. Proceedings of the ASME-JSME-KSME 2019 8th Joint Fluids Engineering Conference, San Francisco, CA, USA.
Zhong, 2017, A Novel Robot Fish with Wire-Driven Active Body and Compliant Tail, IEEE/ASME Trans. Mechatron., 22, 1633, 10.1109/TMECH.2017.2712820
Zhong, 2018, Toward a Transform Method from Lighthill Fish Swimming Model to Biomimetic Robot Fish, IEEE Robot. Autom Lett., 3, 2632, 10.1109/LRA.2018.2822310
Chen, 2021, Bioinspired Closed-loop CPG-based Control of a Robot Fish for Obstacle Avoidance and Direction Tracking, J. Bionic. Eng., 18, 171, 10.1007/s42235-021-0008-0
Low, K.H., Chong, C.W., and Zhou, C. (2010, January 3–7). Performance study of a fish robot propelled by a flexible caudal fin. Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Anchorage, AK, USA.
Liu, J., Dukes, I., and Hu, H. (2005, January 2–6). Novel mechatronics design for a robotic fish. Proceedings of the 2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Edmonton, AB, Canada.
Chen, W., Xia, D., and Liu, J. (2008, January 5–8). Modular design and realization of a torpedo-shape robot fish. Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Takamatsu, Japan.
Barrett, 1999, Drag reduction in fish-like locomotion, J. Fluid Mech., 392, 183, 10.1017/S0022112099005455
Wen, 2012, Hybrid undulatory kinematics of a robotic Mackerel (Scomber scombrus): Theoretical modeling and experimental investigation, Sci. China Technol. Sci., 55, 2941, 10.1007/s11431-012-4952-0
Wen, L., Wang, T., Wu, G., and Li, J. (2011, January 9–13). A novel method based on a force-feedback technique for the hydrodynamic investigation of kinematic effects on robotic fish. Proceedings of the 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Shanghai, China.
Wen, 2012, Hydrodynamic investigation of a self-propelled robotic fish based on a force-feedback control method, Bioinspiration Biomim., 7, 036012, 10.1088/1748-3182/7/3/036012
Wen, L., Liang, J., Shen, Q., Bao, L., and Zhang, Q. (2013). Hydrodynamic performance of an undulatory robot: Functional roles of the body and caudal fin locomotion. Int. J. Adv. Robot. Syst., 10.
Wen, 2012, Quantitative thrust efficiency of a self-propulsive robotic fish: Experimental method and hydrodynamic investigation, EEE/ASME Trans. Mechatron., 18, 1027, 10.1109/TMECH.2012.2194719
Fujiwara, 2017, Development of Fishlike Robot that Imitates Carangiform and Subcarangiform Swimming Motions, J. Aero Aqua Bio-Mech., 6, 1, 10.5226/jabmech.6.1
Kumph, J.M. (2000). Maneuvering of a Robotic Pike. [Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology].
Yu, 2016, Design and control of a single-motor-actuated robotic fish capable of fast swimming and maneuverability, IEEE/ASME Trans. Mechatron., 21, 1711, 10.1109/TMECH.2016.2517931
Rossi, C., Coral, W., Colorado, J., and Barrientos, A. (2011, January 9–13). A motor-less and gear-less bio-mimetic robotic fish design. Proceedings of the 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Shanghai, China.
Rossi, 2011, Bending continuous structures with SMAs: A novel robotic fish design, Bioinspiration Biomim., 6, 045005, 10.1088/1748-3182/6/4/045005
Chen, 2010, Modeling of biomimetic robotic fish propelled by an ionic polymermetal composite caudal fin, IEEE/ASME Trans Mechatron., 27, 448, 10.1109/TMECH.2009.2027812
Liu, B., Hao, L., Deng, J., and Liu, X. (2009, January 17–19). A remote operated robotic fish with temperature sensor based on IPMC actuator. Proceedings of the 2009 Chinese Control and Decision Conference, Guilin, China.
Erturk, A. (2015). Macro-fiber composite actuated piezoelectric robotic fish. Springer Tracts in Mechanical, Springer.
Xie, 2019, An Experimental Study on the Fish Body Flapping Patterns by Using a Biomimetic Robot Fish, EEE Robot. Autom. Lett., 5, 64, 10.1109/LRA.2019.2941827
Webb, 1984, Form and Function in Fish Swimming, Sci. Am., 251, 72, 10.1038/scientificamerican0784-72
Fetherstonhaugh, 2021, Automatic segmentation of fish midlines for optimizing robot design, Bioinspir. Biomim., 16, 046005, 10.1088/1748-3190/abf031
Benesty, J., Chen, J., Huang, Y., and Cohen, I. (2009). Pearson Correlation Coefficient, Springer. Available online: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-00296-0_5.
Puig-Diví, A., Escalona-Marfil, C., Padullés-Riu, J.M., Busquets, A., Padullés-Chando, X., and Marcos-Ruiz, D. (2019). Validity and reliability of the Kinovea program in obtaining angles and distances using coordinates in 4 perspectives. PLoS ONE, 14.
Marras, 2012, Fish and robots swimming together: Attraction towards the robot demands biomimetic locomotion, J. R. Soc. Interface, 9, 1856, 10.1098/rsif.2012.0084
Landgraf, 2013, Interactive robotic fish for the analysis of swarm behavior, Lect. Notes Comput. Sci. (Incl. Subser Lect. Notes Artif. Intell. Lect. Notes Bioinform.), 7928, 1
Boboc, R., Moga, H., and Talabă, D. (2012). A Review of Current Applications in Teleoperation of Mobile Robots. Bull. Transilv. Univ. Bras. Ser. I Eng. Sci., 40653001.