Почти как живая: новая рыба-робот получает энергию от синтетической крови

Мягкая роботизированная рыба. Тёмные области показывают синтетическую кровеносную систему.

Фото James Pikul.

Внутренние компоненты мягкой роботизированной рыбы.

Фото James Pikul.

Теоретически такая рыба сможет плавать без подзарядки до 36 часов.

Фото James Pikul.

Не первый год инженеры создают автономных роботов, похожих на реальных существ, например, насекомых. Недавно группа американских учёных сделала ещё один шаг в этом направлении и разработала мягкую роботизированную рыбу с многофункциональной "системой кровообращения".

Отметим, что обычно роботы оснащены аккумулятором для хранения энергии или механизмом для её передачи от одного компонента к другому. Проблема с такими элементами заключается в том, что они увеличивают размер и вес устройств, что, в свою очередь, плохо сказывается на их ловкости, гибкости и автономности.

В недавнем исследовании, опубликованном в издании Nature, учёные из Корнеллского и Пенсильванского университетов описали робота, максимально похожего на живое существо. Разработчики наделили своё механическое детище многофункциональными компонентами. Так, жабры "рыбы" обеспечивают газообмен, регулируют кислотно-щелочной баланс и выводят "отходы", а уникальная "система кровообращения" одновременно питает устройство и помогает ему двигаться.

Длина устройства составляет 40 сантиметров. Внутри "рыбы" содержится примерно 0,2 литра синтетической крови, распределённой по всей искусственной сердечно-сосудистой системе. Остальная часть робота состоит из структурных элементов, которые чем-то напоминают мышцы и хрящи. Водонепроницаемая оболочка рыбы выполнена из силикона.

Внутренние компоненты мягкой роботизированной рыбы.

В своих разработках инженеры часто используют литий-ионные аккумуляторы. Но у них есть один серьёзный недостаток: они громоздкие.

Новая искусственная рыба питается от проточных редокс-аккумуляторов – систем, состоящих из двух электродов и жидкого электролита (той самой "крови"), который протекает между ними. Такие батареи также питают насосы, которые перегоняют синтетическую кровь по "организму", заставляя двигаться хвост робота, а также спинной и грудной плавники.

Таким образом синтетическая кровь не только работает в батареях, но и служит в качестве гидравлической жидкости: подача её в тот или иной отдел увеличивает давление. Например, когда раздувается одна сторона хвоста "рыбы", другая сторона сжимается, что приводит к сгибанию хвоста и изменению направления движения "рыбы".

Синтетическая кровь помогает "рыбе" двигать плавниками и плавать в воде даже против течения. В то же время она накапливает энергию, необходимую для питания устройства. Это позволяет "рыбе" работать в течение более длительных периодов времени без необходимости в тяжёлых и громоздких аккумуляторных блоках.

Теоретически такая рыба сможет плавать без подзарядки до 36 часов.

Новое устройство не выиграет ни одного спринта (двигаясь против течения, устройство развило скорость около 15 сантиметров в минуту), зато может похвастаться впечатляющей выносливостью. Во время тестирования робот-рыба смог плавать на протяжении двух часов, но теоретически он может работать до 36 часов.

В пресс-релизе работы отмечается, что исследователи достигли плотности энергии, равной примерно половине плотности энергии литий-ионного аккумулятора автомобиля Tesla модели S. Между тем это вечная головная боль проточных редокс-аккумуляторов. Однако в данном случае за счёт нескольких ухищрений инженерам удалось значительно увеличить плотность энергии и эксплуатационное напряжение.

Как говорит соавтор работы Джеймс Пикул (James Pikul) из Пенсильванского университета, эта идея родилась у его команды во время попытки сделать механизмы более автономными.

"Мы поняли, что большинство роботов работает непродолжительное время. Их постоянно приходится перезаряжать, на что уходит по десять минут, а люди способны работать в течение нескольких дней без еды. Мы хотели решить эту проблему и придумать способы хранения энергии прямо в компонентах робота. Так называемая "кровь"– наша первая демонстрация хранения энергии в жидкости, которая обычно используется только для приведения [устройства] в действие", – рассказывает Пикул в интервью изданию Gizmodo.

По мнению Пикула, механизм циркуляции жидкости в устройстве похож на работу сердечно-сосудистой системы животных.

"В нашей синтетической сердечно-сосудистой системе жидкость запасает химическую энергию, которую мы можем использовать для питания робота-рыбы. По мере того как она прокачивается через устройство, робот приводится в движение. Таким образом, сердечно-сосудистая система является многофункциональной. Именно это позволяет устройству оставаться ловким, а также увеличить время работы", – объясняет Пикул.

По сравнению с роботом аналогичной конструкции, но без синтетической крови, "рыба" работала примерно в восемь раз дольше, не уступая при этом в проворности.

В будущем разработчики намерены использовать синтетическую кровь для повышения мощности роботов и машин, которым требуются жидкость, в том числе электромобилей, самолётов и мягких роботов.

В целом такая инновация является шагом к созданию автономных роботов, которые могут выполнять задания без вмешательства человека, считает Роберт Шеферд (Robert Shepherd) из Корнеллского университета.

Мягкие роботы-рыбы могли бы выполнять морскую разведку, обследовать трубопроводы и подводные кабели, следить за жизнью в океане и многое другое.

Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о мягком роботе, который ползает подобно змее и увеличивается в размерах. Писали мы и о других интересных разработках: роботе-прилипале, который шпионит за обитателями океана, путешествуя на них самих, и насекомоподобном роботе со сверхскоростной походкой.