211service.com
Robot bouwt voort op inzichten in Atlantic Razor Clam Dynamics
De Atlantische scheermessen gebruiken heel weinig energie om zich met hoge snelheid in de onderzeese bodem te graven. Nu heeft een gedetailleerd inzicht in hoe het dier graaft geleid tot de ontwikkeling van een robotachtige mossel die dezelfde truc kan uitvoeren.
Het apparaat, bekend als RoboClam, zou kunnen worden gebruikt om zichzelf in de grond te graven om ankers te begraven of onderwatermijnen te vernietigen, volgens de ontwikkelaar, Amos Winter, de Robert N. Noyce Career Development Assistant Professor of Mechanical Engineering aan het MIT.
Een scheermessen (links) en de RoboClam. Foto door Donna Coveny.
Ondanks zijn stijve schaal kan de Atlantische scheermessen (Ensis directus) zich met een snelheid van 1 centimeter per seconde door de bodem voortbewegen. Bovendien kan het dier tot 0,5 kilometer graven met alleen de hoeveelheid energie die in een AA-batterij zit. De truc van de mossel is om zijn schelpen zo te verplaatsen dat de grond rond zijn lichaam vloeibaar wordt, waardoor de weerstand die erop inwerkt, wordt verminderd, zegt Winter. Dit betekent dat er veel minder kracht nodig is om zijn schaal in de grond te trekken dan wanneer hij door statische grond beweegt.
Om een robot te ontwikkelen die dezelfde truc kan uitvoeren, moesten Winter en zijn mede-ontwikkelaar, Anette Hosoi, hoogleraar werktuigbouwkunde en toegepaste wiskunde aan het MIT, begrijpen hoe de beweging van de mossel ervoor zorgt dat de grond vloeibaar wordt of in drijfzand verandert rond zijn schelp. Nu, in een paper dat in het tijdschrift zal worden gepubliceerd Bio-inspiratie en biomimetica , onthullen de onderzoekers voor het eerst de mechanica achter dit proces en beschrijven ze hoe hun robot deze actie kan nabootsen.
Mechanica van drijfzand
Wanneer het scheermes begint te graven, trekt het eerst zijn schaal terug, waardoor de spanning tussen zijn lichaam en de grond eromheen wordt losgelaten. Hierdoor begint de grond in te storten, waardoor een plaatselijke aardverschuiving rond het dier ontstaat. Terwijl de mossel blijft samentrekken en zijn eigen volume vermindert, zuigt hij water in dit gebied met falende grond. De water- en zanddeeltjes vermengen zich, waardoor een gefluïdiseerd substraat ontstaat - drijfzand.
Maar de timing is cruciaal. Als de schelp zijn schild te langzaam zou bewegen, zouden de zanddeeltjes rond het dier instorten zonder te fluïdiseren, zegt Winter. Als de schelp echter te snel zou bewegen, zouden de zanddeeltjes niet genoeg tijd hebben om zich te vermengen met het langsstromende water en zouden ze gewoon stil blijven staan. Uit onze gegevens bleek dat er een zeer abrupte overgang was van het kunnen fluïdiseren van de grond naar het helemaal niet verplaatsen van de gronddeeltjes, zegt hij.
Om een energiezuinig verankeringssysteem te ontwikkelen dat op deze manier drijfzand om zich heen kan creëren, bouwden de onderzoekers een mechanische poppenschelp, bestaande uit twee helften die op dezelfde manier als een accordeon in en uit elkaar kunnen bewegen. De marionetschelp is verbonden met een staaf, die de schaal kan openen en sluiten en op en neer kan duwen, waardoor dezelfde samentrekkingen ontstaan als het dier kan bereiken.
Om het testen van hun RoboClam-prototype in zout water gemakkelijker te maken, gebruikten de onderzoekers een persluchtsysteem om de uitzetting en samentrekking van de schelpen aan te drijven. Winter's team ontwikkelt nu een elektronische versie, die het compatibel maakt voor gebruik met onderwatervoertuigen die zijn ontwikkeld door de sponsor van het team, Bluefin Robotics, een MIT-spin-out in Quincy, Massachusetts.
Energiebesparende verankering
Winter begon in 2006 met de ontwikkeling van de RoboClam voor zijn promotieonderzoek, samen met Hosoi. De onderzoekers wilden een manier vinden om autonome onderwatervoertuigen aan een zeebodem of rivierbedding te verankeren zonder veel energie te verbruiken. Robotvoertuigen hebben een beperkt batterijvermogen, dus alle energie die door het verankeringssysteem wordt verbruikt, zou de bedrijfstijd van het apparaat verkorten.
Je bestuurt deze voertuigen misschien in een stroomversnelling en moet ze stationair laten staan, bijvoorbeeld om een biologische situatie te bewaken of voor militaire doeleinden, zegt Winter. Je zou niet willen dat het voertuig constant zijn propellers laat draaien om op één plek te blijven, omdat dat alleen maar energie verspilt, dus het zou leuk zijn als je gewoon een anker zou kunnen inzetten en je positie zou kunnen behouden zonder energie te verbruiken.
Naast het verankeren van onderwatervoertuigen en het laten ontploffen van mijnen, zou de RoboClam ook kunnen worden gebruikt om onderwaterkabels te leggen, zegt Winter. Bedrijven die trans-Atlantische kabels leggen, gebruiken traditioneel een schip om een slee over de bodem van de oceaan te slepen om een trog te graven, de kabel te leggen en af te dekken. Wanneer de diepte van het oceaanwater echter tot 10 meter of minder daalt, wordt het te ondiep voor de schepen om er doorheen te varen. Dit betekent dat menselijke duikers het leggen en begraven van de kabels moeten overnemen, wat zowel tijdrovend als duur is. Een systeem hebben dat gewoon aan de kabel kan worden vastgeklikt, zich een weg baant en het automatisch in de grond graaft, zou geweldig zijn, zegt Winter.
Daniel Goldman, een universitair hoofddocent natuurkunde aan het Georgia Institute of Technology die niet betrokken was bij het onderzoek, zegt dat de paper een prachtige integratie van biologie en robotica bevat. Het maakt gebruik van inzichten uit de bodemfysica om ons begrip van de biomechanica achter een indrukwekkend staaltje van voortbeweging van organismen te vergroten - verticaal in de bodem graven, zegt Goldman.
Door een principe achter dit vermogen te ontdekken - gelokaliseerde fluïdisatie - kunnen de onderzoekers een robotachtige graafschelp, RoboClam, vergelijkbare vaardigheden geven. En de studie van de robot geeft een dieper inzicht in de belangrijke mechanica achter het graven door gelokaliseerde fluïdisatie, voegt hij eraan toe.