211service.com
Robot bygger på insikter i Atlantic Razor Clam Dynamics
Den atlantiska rakmusslan använder väldigt lite energi för att gräva ner sig i undervattensjord med hög hastighet. Nu har en detaljerad inblick i hur djuret gräver lett till utvecklingen av en robotmussla som kan utföra samma trick.
Enheten, känd som RoboClam, skulle kunna användas för att gräva ner sig i marken för att begrava ankare eller förstöra undervattensminor, enligt dess utvecklare, Amos Winter, Robert N. Noyce Career Development Assistant Professor of Mechanical Engineering vid MIT.
En rakhyvelmussla (vänster) och RoboClam. Foto av Donna Coveny.
Trots sitt styva skal kan den atlantiska rakmusslan (Ensis directus) röra sig genom marken med en hastighet av 1 centimeter per sekund. Dessutom kan djuret gräva upp till 0,5 kilometer med bara den mängd energi som finns i ett AA-batteri. Musslans knep är att flytta sina skal på ett sådant sätt att jorden blir flytande runt kroppen, vilket minskar motståndet som verkar på den, säger Winter. Detta innebär att det kräver mycket mindre kraft för att dra in skalet i jorden än när det rör sig genom statisk jord.
För att utveckla en robot som kan utföra samma trick behövde Winter och hans medutvecklare, Anette Hosoi, professor i maskinteknik och tillämpad matematik vid MIT, förstå hur musslans rörelse gör att jorden blir flytande eller förvandlas till kvicksand, ca. dess skal. Nu i en artikel som ska publiceras i tidskriften Bioinspiration och biomimetik , avslöjar forskarna för första gången mekaniken bakom denna process, och beskriver hur deras robot kan härma denna handling.
Mekanik för kvicksand
När rakmusslan börjar gräva drar den först tillbaka sitt skal och släpper på stressen mellan kroppen och jorden runt den. Detta gör att jorden börjar kollapsa, vilket skapar ett lokalt jordskred runt djuret. När musslan fortsätter att dra ihop sig, vilket minskar sin egen volym, suger den in vatten i denna region av sviktande jord. Vatten- och sandpartiklarna blandas och skapar ett fluidiserat substrat - kvicksand.
Men timingen är avgörande. Om musslan skulle flytta sitt skal för långsamt, skulle sandpartiklarna kollapsa runt djuret utan att fluidiseras, säger Winter. Men om musslan rörde sig för snabbt skulle det inte ge sandpartiklarna tillräckligt med tid att blandas med vattnet som strömmade förbi, och de skulle helt enkelt förbli stationära. Våra data visade att det skedde en väldigt abrupt övergång från att kunna fluidisera jorden till att inte flytta jordpartiklarna alls, säger han.
För att utveckla ett lågenergiförankringssystem som på detta sätt kan skapa kvicksand runt sig, byggde forskarna ett mekaniskt marionettmunstycke, bestående av två halvor som kan röra sig samman och isär på liknande sätt som ett dragspel. Dockan musslan är kopplad till en stav, som kan öppna och stänga skalet och trycka det upp och ner, vilket skapar samma sammandragningar som djuret kan uppnå.
För att göra det lättare att testa sin RoboClam-prototyp i saltvatten använde forskarna ett tryckluftssystem för att driva expansionen och sammandragningen av skalen. Winters team utvecklar nu en elektronisk version, som kommer att göra den kompatibel för användning med undervattensfordon utvecklade av teamets sponsor, Bluefin Robotics, en MIT spinout baserat i Quincy, Mass.
Energibesparande förankring
Winter började utveckla RoboClam för sin doktorandforskning 2006, tillsammans med Hosoi. Forskarna ville hitta ett sätt att förankra autonoma undervattensfarkoster till en havsbotten eller flodbädd utan att förbruka mycket energi. Robotfordon har begränsad batterikraft, så all energi som förbrukas av förankringssystemet skulle minska enhetens drifttid.
Du kanske kör dessa fordon i en ström och behöver dem vara stillastående - till exempel för att övervaka en biologisk situation eller för militära ändamål, säger Winter. Du skulle inte vilja att fordonet ständigt snurrar på sina propellrar för att stanna på ett ställe eftersom det bara slösar energi, så det skulle vara trevligt om du bara kunde placera ut ett ankare och behålla din position utan att förbruka någon energi.
Förutom att förankra undervattensfarkoster och detonera minor kan RoboClam också användas för att lägga undervattenskablar, säger Winter. Företag som lägger transatlantiska kablar använder traditionellt ett fartyg för att dra en släde längs havets botten för att gräva ett tråg, lägga kabeln och täcka över den. Men när havsvattnets djup sjunker till 10 meter eller mindre, blir det för grunt för fartygen att röra sig igenom. Det innebär att mänskliga dykare måste ta över läggning och nedgrävning av kablarna, vilket är både tidskrävande och dyrt. Att ha ett system som bara kunde haka på kabeln, arbeta sig fram och automatiskt gräva ner den i jorden skulle vara bra, säger Winter.
Daniel Goldman, en docent i fysik vid Georgia Institute of Technology som inte var involverad i forskningen, säger att uppsatsen innehåller en vacker integration av biologi och robotik. Den använder insikter från markfysik för att främja vår förståelse av biomekaniken bakom en imponerande bedrift av organismrörelse – att gräva vertikalt i marken, säger Goldman.
Genom att upptäcka en princip bakom denna förmåga - lokaliserad fluidisering - kan forskarna ge en robotgrävande mussla, RoboClam, liknande förmågor. Och studiet av roboten ger djupare insikt i den viktiga mekaniken bakom grävning genom lokaliserad fluidisering, tillägger han.