En løvefisk svømmer mod strømmen, og halen hænger som en pendel i langsom bevægelse. Men denne fisk er ikke som dens koldblodige kolleger. Det er en robot, og i stedet for at blod løber gennem dets årer, cirkulerer det en energitæt væske til både at drive sine batterier og skubbe sine finner. Robotten, der er beskrevet i dag i tidsskriftet Nature, kan være det første skridt i at tackle to store forhindringer inden for robotik - magt og kontrol - med en løsning. Og takket være den energiske væske, der pumpes gennem sit pseudo-vaskulære system, er denne robot muligvis lidt mere som os.
Robotter fungerer typisk ikke på samme måde som levende ting gør. I stedet for et kompliceret netværk af multifunktionelle dele, har robotter en tendens til at være lavet af isolerede komponenter, der hver tjener et enkelt formål, forklarer mekanisk ingeniør Robert Shepherd fra Cornell University, hovedundersøger for den nye undersøgelse. For eksempel kan de have et system til at adressere strømmen og et andet til at kontrollere bevægelse, hvilket ikke altid er effektivt. I modsætning hertil er det menneskelige kredsløb multifunktionelt: Det pumper blod gennem vores krop, og ved at gøre det hjælper det også med at regulere vores kropstemperatur og transporterer celler for at bekæmpe infektioner.
Der er eksempler på kredsløbssystemer i naturen, der er endnu mere effektive end vores egne. Faktisk var Shepherds oprindelige inspiration til robo-løvefisk faktisk ikke meget af en svømmer. Tværtimod blev han fascineret af den højtflyvende bar-tailed godwit, en trækfugl, som han kalder en "super atlet." En gudekvinde kan flyve i en uge uden at stoppe, men fordobler først dens vægt i fedt for at forberede sig til flyvningen.
”Det stod virkelig ved mig, at du kan tilføje energi til et dyr på en multifunktionel måde - både varmeisolering og lagring af energi og derefter distribuere det på en måde, der er effektiv, ” siger Shepherd. ”Hvis du sammenligner det med vores batterier [i robotter], udfører de ofte ingen anden funktion end at levere energi og tilføje vægt.”
Med dette i tankerne, spekulerede Shepherd på, om der var en måde at fremstille batterier i robotter med succes styre både magt og kontrol. Masser af robotter pumper allerede hydrauliske væsker, såsom vand, gennem deres systemer for at anvende kraft, der bevæger nogle af deres dele. Hvis de kunne erstatte en typisk hydraulisk væske med en, der lagrer energi, troede han, at væsken derefter kunne gøre mere end blot at lette mekanisk bevægelse. Brug af en multifunktionel hydraulik kan også spare energi på lang sigt, da traditionelle robotter med solide batterier ofte har brug for ekstra batteripakker til langvarig drift, hvilket tilføjer ekstra vægt og reducerer ydelsen.
Shepherd og hans team, der har ansøgt om et patent på deres design, brugte det, der kaldes zinkiodid redox flowbatterier, som har en flydende elektrolytopløsning i dem, der fungerer som en energireserve. Den energirige væske bidrager til kemiske reaktioner, der oplader batteriet, mens de også fungerer som en hydraulisk væske, der cirkulerer gennem løvefisken og bevæger sine finner. For at tillade bevægelse er finnerne lavet af fleksible elektroder og en blød silikone hud. Pumpning af hydraulisk væske ind i den ene side af halefinen blæser op i huden og får finen til at bøje rundt om de stivere midterste sektioner mod den anden side. Ved at vende væskens retning bøjer finnen den anden vej, så fiskene kan svømme, når væsken svinger. Pectoral finner er også drevet af væsken og kan blæse udad, som efterligner finnebevegelserne, som løvfisk bruger til at kommunikere.
Holdet placerede løvefisken i en saltvandstank, og holdet observerede, at roboten med succes kunne svømme mod en strøm. I eksperimenter lod de robotten svømme i op til to timer, men beregnet, at den teoretisk kunne fungere i så længe som 36 timer. De vurderede også, at robotens energiydelse var omkring tre til fire gange bedre end et traditionelt design ved hjælp af en normal hydraulisk væske som vand.
Shepherd forklarer, at den multifunktionelle anvendelse af solide batterier ikke er ny. For eksempel fungerer batterierne i en gaffeltruck som en energikilde, mens de også giver vægt til at stabilisere maskinen under tunge løft. Men den forskelligartede anvendelse af flydende batterier er først blevet undersøgt. ”Nu hvor ideen er derude, ” siger Shepherd, “Vi er håbefulde, at når folk bruger hydraulik, kan de spørge: 'Kan jeg erstatte hydraulikvæsken med elektrolytisk væske - er det fornuftigt med energiomkostningerne kontra vægt for en tættere væske i mit system? '”
”Ideen om at bruge væsken som batteri er virkelig god, ” siger Robert Katzschmann fra ETH Zurich, en robotist, der har arbejdet på andre robotfisk, men ikke var involveret i denne forskning. Katzschmann fastholder imidlertid bekymring for batteriets effektivitet og understreger, at konceptet måske bedre kan fremvises ud af vandet, hvor undgåelse af ekstra vægt af faste batteripakker bliver kritisk uden hjælp af opdrift.
"I teorien er det godt, fordi du kunne lave en robot, der ikke er under vand, " siger Katzschmann. ”Hvis du vil lave en gående robot, er det lidt vanskeligere. Og ingen har vist en fuldt blød robot, der kan flyve, så det giver mening at vise den under vand som en idé, men der er stadig meget arbejde for dem at gøre. ”
Shepherd er optimistisk med hensyn til forbedring af batteriet. Han understreger, at kemiet til deres batteri er sikkert at håndtere, men "ikke så energitæt som det kunne være."
”Udfordringen er at øge energitætheden samtidig med at være sikker, ” siger han. ”Vi ved, hvor det kan gå, men vi er nødt til at gå der mere forsigtigt.” Og ligesom Katzschmann ser han for sig, at dette arbejde bidrager til fremtidige robotter på land, som muligvis kan bruges i søge- og redningsopgaver. ”Vi har lavet et strækbart system, så den form, som du i øjeblikket er begrænset til, kan ændres, ” tilføjer Shepherd. ”Visst er fremtiden hybridsystemer, i det mindste for jordbaserede systemer ... hvor bløde dele bruges til at registrere og overlejre over elektromekaniske og fluidaktuatorer.”
Selvom der er mange fremskridt, der skal gøres inden for blød robotik, foreslår Shepherds løvefisk, at der hidtil i det mindste ting bevæger sig svømmende.
