這款仿生機(jī)器人將清理全球海洋垃圾

2023年05月08日 13:20$artinfo.Reprint點擊量：401

　　地球的70%面積被海洋覆蓋，但目前卻面臨著嚴(yán)重的海洋污染問題，目前全球每年約有800萬噸塑料垃圾進(jìn)入海洋，據(jù)估計，到了2050年，海洋中的塑料垃圾量將比魚類的數(shù)量還多。

　　在海底的一些敏感的生態(tài)系統(tǒng)中飽受海洋垃圾的折磨，比如珊瑚礁的周圍，經(jīng)常因為海洋垃圾使得他們受到破壞，目前清理工作主要使用機(jī)器人來進(jìn)行，但現(xiàn)有的水下機(jī)器人大多體積龐大，具有剛體，無法在復(fù)雜和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中進(jìn)行探索和采樣，水下機(jī)器人仍有許多不足之處。

　　斯圖加特馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所的科學(xué)家們從大自然中尋找靈感，他們受水母啟發(fā)，配置了一個多功能、節(jié)能且?guī)缀鯚o噪音的手掌大小的機(jī)器人。

　　“70%的海洋垃圾會沉入海底，其中塑料占這些垃圾的60%以上，需要數(shù)百年才能降解。因此，我們看到迫切需要開發(fā)一種機(jī)器人來操縱垃圾等物體并將其向上運輸。我們希望有一天水下機(jī)器人可以幫助清理我們的海洋。”研究所的科學(xué)家們解釋了仿生水母機(jī)器人項目的最初想法。

　　在自然界中，水母是運動消耗最低的水下動物之一，它們的游泳的方式通常是噴射式或劃水式，結(jié)合了有效的流體推進(jìn)和物體操縱，這對于水母的捕食很有利，此外，它們可變形的軟體結(jié)構(gòu)使它們能夠適應(yīng)和導(dǎo)航非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，這些特性使水母成為最受歡迎的動物模型之一，可以指導(dǎo)新一代水下航行器的設(shè)計。

　　通過在其周圍產(chǎn)生水流，水母可以捕獲沿途的物體，仿水母式機(jī)器人也是采用類似的方法在其周圍循環(huán)水流，這種功能在收集如垃圾、顆粒之類的物品時非常有用，機(jī)器人可以將廢棄物品帶到地面并回收，同時，該機(jī)器人還可以收集如魚卵等脆弱的生物樣本，而不會對周圍環(huán)境造成負(fù)面影響。這種仿生機(jī)器人不再會由于結(jié)構(gòu)等問題對海洋造成有可能出現(xiàn)的二次破壞，并且?guī)缀鯖]有噪音。

　　該團(tuán)隊使用了電液執(zhí)行器充當(dāng)為機(jī)器人提供動力的人造肌肉，用氣墊以及其他柔軟的部件圍繞這些肌肉，提高機(jī)器人的防水性能，這樣可以避免執(zhí)行器的高壓和周圍的水接觸。電源通過細(xì)線定期供電，使肌肉收縮和擴(kuò)張，從而控制機(jī)器人優(yōu)雅地游泳并在其身體下方產(chǎn)生漩渦。

　　水母機(jī)器人能夠在沒有物理接觸的情況下移動和捕獲物體，可以讓單個或者多個物體一起運行，設(shè)計速度可達(dá) 6.1 厘米/秒，比目前的所有水下機(jī)器人速度都要更快，并且這款仿生水母機(jī)器人只需要大約100 mW的低輸入功率。

　　同時這款機(jī)器人采用的是聚合物材料，一旦在海洋中遭遇不測，對魚類以及海洋并不會造成影響，并且機(jī)器人發(fā)出的噪音與海洋深處的背景聲音處在同一頻率，這樣仿生水母機(jī)器人就可以在不干擾環(huán)境的情況下與環(huán)境進(jìn)行交互——就像水母一樣。

　　機(jī)器人由幾層組成：一些使機(jī)器人變硬，另一些用于使其漂浮或絕緣。被稱為HASEL的電動人造肌肉被嵌入到不同層的中間，HASEL是液體電介質(zhì)填充的塑料袋，部分被電極覆蓋，當(dāng)在電極上施加高電壓會使其帶正電，而周圍的水則帶負(fù)電，這會在帶正電的電極和帶負(fù)電的水之間產(chǎn)生一種力，來回推動小袋，使小袋收縮和放松，讓它類似于真正的肌肉一樣工作。

　　但目前的實驗產(chǎn)品有一個迫切需要解決的，就是仿生水母機(jī)器人目前必須使用一根電線連接進(jìn)行供電和控制，這如果投入到海洋中使用是不方便的，發(fā)展無線控制或者自主控制是下一個需要攻堅的方向。

　　好消息是，據(jù)研發(fā)人員王天祿介紹，使用電線為機(jī)器人供電很快就會成為過去，目前他們的無線機(jī)器人已經(jīng)整合了所有功能模塊，通過在機(jī)器人頂部安裝了一個浮力裝置，在底部安裝了電池和微控制器來實現(xiàn)無線供電和深水控制，并且在校區(qū)的池塘里試驗成功，距離未來實現(xiàn)無線操作越來越近。

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