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用于潜水机器人的生物启发式流量传感吸盘
2020年10月28日    阅读量:     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com  |  投稿

对于研发机器人和人工智能(AI)系统的研究人员而言,自然可能是宝贵的灵感来源。例如,潜水机器人的研究通常试图复制或结合在水生生物中观察到的机制,例如鱼的活动模式和鲨鱼皮肤纹理。


用于潜水机器人的生物启发式流量传感吸盘 中国机器人网,vrovro.com


美国海军研究实验室和美国海军海底战争中心的一组研究人员最近开发了一种由浅层神经质激发的电容式流量传感吸盘,这些物质本质上是鱼类和两栖动物体内的结构,可以检测水流中国机器人网vrovro.com。该吸盘在MDPI上发表的一篇论文中介绍,具有0.05皮法/毫米(pF / mm)的高灵敏度,可以应用于设计用于水下部署的各种机器人和车辆。


进行这项研究的研究人员之一查尔斯·罗德(Charles Rohde)告诉TechXplore:“美国海军研究实验室与许多其他机构一起,正在探索以自然为灵感的方法,以提高水下机器人的效率和可操纵性。” “从本质上讲,与传统的螺旋桨驱动设计相比,创造一条人造鱼具有许多好处。


但是,如果我们考察生物学上的对等物,我们会发现它们的成功不仅仅在于机械和身体运动;鱼还具有许多传感器。他们的身体。”


鱼具有一系列所谓的侧线传感器,可提供水流状况反馈,使它们能够在水下定向并检测附近的物体。罗德(Rohde)和他的同事们想复制这些传感器并模仿它们的特性,以增强水下航行器的性能。


在鱼类中观察到的生物吸盘由嵌有传感器毛发的凝胶组成,传感器毛发通过一系列神经附着在水生动物的大脑上。


另一方面,研究人员开发的人造吸盘由嵌入液态金属感应板的硅橡胶制成,感应金属板通过电线连接到微控制器。


天然吸盘与研究人员开发的人工吸盘之间的另一个区别是,前者使用电化学信号,而后者则是电容性的(即像智能手机触摸屏一样,它依赖于电场的变化)。与触摸屏相比,受生物启发的设备不会与外部物体(例如人的手指)进行交互。相反,它由液态金属板相对于彼此移动和变形组成。

 

参与这项研究的另一位研究人员詹姆斯·威斯曼解释说:“液态金属(镓-铟)板形成了两个电容式传感器,这些传感器根据流体流施加在硅胶吸盘上的力而变形。” 


“随着吸盘变形,内部的液态金属板彼此靠近或移开,从而改变了它们之间的电容。微控制器记录了这种电容变化,这可以通过实验和数学建模与外部流体流速相关。”


研究人员开发的电容式传感器具有很高的灵敏度,也可以排列成阵列。例如,这些传感器中的数十个可以横向布置在水下机器人上,以捕获和跟踪水流特征。这些感测吸盘柔软。因此,它们可以与人造皮肤材料集成在一起,而不会给受生物启发的机器增加刚性。


Cupula样品显示出其灵活性。罗德说:“文献中还发布了其他几种基于呼吸道和头发的流量传感器,但我们惊讶地发现只有一个水下的,以海豹晶须为灵感的例子,它具有电容性。” 


“我们的结果表明,电容感测是一种非常有前途的方法,我们希望我们的出版物会鼓励其他人探索这种方法。”


罗德(Rohde),威斯曼(Wissman)及其同事使用失蜡和真空注射技术制造了受生物启发的传感器。然后,他们进行了一系列初步测试以评估其性能。


与其他电容式设备相比,它们的传感器将传感器结合到了吸盘本身中,而不是在其底部。在他们的评估中,传感器制造的这一特定方面被证明是非常有效的,与以前开发的电容式设备相比,其传感能力更高。


威斯曼说:“除了传感器本身,另一个重要方面是制造工艺。” “为了在小的有机硅结构内创建如此复杂的结构,我们使用了牺牲模制(想像失蜡铸造)和液态金属真空注入的独特组合。可以很容易地扩展到其他设备,例如复杂3 -D布线或天线。”


由Rohde,Wissman和他的同事开发的传感设备可以在潜水机器人领域中拥有广泛的应用,因为它可以开发可以更有效地导航水下环境的机器人。


在未来的工作中,研究人员计划缩小其设备的尺寸,该设备目前的高度为5毫米。比鱼类中观察到的神经质大50倍。


传感器的较小版本可以允许更直接地测量边界层流动状况,甚至更靠近机器人的水面。为了使传感器小型化,研究人员将需要改变其制造方法。


到目前为止,Wissman和他的同事们主要集中在稳定(或缓慢变化)的水流上,但是与湍流和涡流相关的超快速水流变化(即每秒> 1,000-10,000次)可以为机器人的周围环境提供更深入的了解。


因此,在他们即将进行的研究中,研究人员希望通过包括这些流量变化并寻找更快的数据采集技术来扩大他们的工作范围。


威斯曼说:“我们还计划组装一系列可以与潜水机器人连接的人工吸盘(人工横线)。” “该项目的最终目的是借助我们的嵌入式传感器观看一条自主的机器鱼,成功地在障碍物和水流中航行。”


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