Robotplatform voor oceaannavigatie

Pleobot is een op krill geïnspireerde robot die mogelijke oplossingen biedt voor voortbeweging onder water en verkenning van de oceaan.

Krill is het geheel van kleine ongewervelde, garnaalachtige zeedieren Stelt u zich een netwerk voor van onderling verbonden, autonome robots die op een vergelijkbare manier samenwerken in een gecoördineerde dans. Ze navigeren door de pikdonkere omgeving van de oceaan terwijl ze wetenschappelijke onderzoeken of zoek- en reddingsmissies uitvoeren. Een team onderzoekers heeft belangrijke eerste stappen gepresenteerd bij het bouwen van dit soort onderwaternavigatierobots. Het onderzoek is een samenwerking tussen onderzoekers van Brown University in Providence (80 km zuidwelijk van Boston) en van de Universidad Nacional Autónoma de México in Mexico-Stad.

Krill als inspiratie

In de studie schetsen de onderzoekers het ontwerp van een klein robotplatform genaamd Pleobot. Dit kan dienen als hulpmiddel voor onderzoekers om de krill-achtige zwemmethode te begrijpen maar ook als basis voor het bouwen van kleine, manoeuvreerbare onderwaterrobots.

Pleobot bestaat momenteel uit drie gearticuleerde secties die krillachtig zwemmen nabootsen, metachronaal zwemmen genoemd. Om het robotplatform  te ontwerpen, lieten de onderzoekers zich inspireren door krill, opmerkelijke wateratleten en meesters in zwemmen, accelereren, remmen en draaien. De onderzoekers demonstreerden de mogelijkheden van Pleobot om de benen van zwemmende krill na te bootsen. Dit bood nieuwe inzichten in de interacties tussen vloeistof en structuur die nodig zijn om gestaag voorwaarts zwemmen in krill te ondersteunen.

Volgens de studie heeft Pleobot het potentieel om de wetenschappelijke gemeenschap te laten begrijpen hoe ze kunnen profiteren van honderd miljoen jaar evolutie om betere robots te ontwikkelen voor oceaannavigatie.

Werkwijze

Experimenten met organismen zijn uitdagend en onvoorspelbaar. Pleobot biedt de onderzoekers mogelijkheden om alle aspecten van krill-achtig zwemmen te onderzoeken die hem helpen uitblinken in het manoeuvreren onder water. Het doel was om een uitgebreide tool te ontwerpen om krill-achtig zwemmen te begrijpen, wat betekende dat de onderzoekers alle details moesten opnemen die krill tot zulke atletische zwemmers maken.

Een belangrijk doel is, te begrijpen hoe metachronale zwemmers zoals krill erin slagen te functioneren in complexe mariene omgevingen en enorme verticale migraties van meer dan 1000 meter uitvoeren. Dit staat gelijk aan het stapelen van drie Empire State Buildings van 381 m, twee keer per dag.

De onderzoekers hebben snapshots van de mechanismen die krill gebruikt om efficiënt te zwemmen, maar beschikken niet over uitgebreide data. Ze hebben een robot gebouwd en geprogrammeerd die de essentiële bewegingen van de benen nabootst om specifieke bewegingen te produceren en de vorm van de aanhangsels te veranderen. Dit stelt hen in staat om verschillende configuraties te bestuderen om metingen te doen en vergelijkingen te maken die onbereikbaar zijn met levende dieren.

Zwermen

De metachronale zwemtechniek kan leiden tot opmerkelijke manoeuvreerbaarheid die krill vaak vertonen door de sequentiële inzet van hun zwemmende benen in een golvende beweging van achteren naar voren. De onderzoekers geloven dat in de toekomst inzetbare zwermsystemen kunnen worden gebruikt om de oceanen van de aarde in kaart te brengen. De zwermsystemen kunnen ook deelnemen aan zoek- en herstelmissies door grote gebieden te bestrijken, of om naar manen in het zonnestelsel, zoals Europa, te worden gestuurd om hun oceanen te verkennen.

Krill-aggregaties zijn een goed voorbeeld van zwermen in de natuur. Ze zijn samengesteld uit organismen met een gestroomlijnd lichaam, reizen tot een kilometer per enkele reis en hebben uitstekende manoeuvreerbaarheid onder water. De studie is het startpunt van een langetermijnonderzoeksdoel om de volgende generatie autonome onderwaterdetectievoertuigen te ontwikkelen. Door de interactie tussen vloeistof en structuur op appendage-niveau te begrijpen, kunnen de onderzoekers beslissingen nemen over toekomstige ontwerpen.

Controle

De onderzoekers kunnen de twee beensegmenten actief besturen en hebben passieve controle over de vinnen van Pleobot. Aangenomen wordt dat dit het eerste platform is dat de openings- en sluitbeweging van deze vinnen repliceert. De bouw van het robotplatform was een meerjarig project, waarbij een multidisciplinair team betrokken was op het gebied van vloeistofmechanica, biologie en mechatronica.

De onderzoekers bouwden hun model op tien keer de schaal van krill, die meestal ongeveer zo groot is als een paperclip. Het platform is voornamelijk gemaakt van 3D-geprinte onderdelen. Het ontwerp is vrij toegankelijk, waardoor andere teams Pleobot kunnen gebruiken om door te gaan met het beantwoorden van vragen over metachronaal zwemmen. Dat geldt niet alleen voor krill maar ook voor andere organismen zoals kreeften.

Voortgang

De onderzoeksgroep gaf zelf het antwoord op een van de vele onbekende mechanismen van krillzwemmen: hoe ze lift genereren om niet zinken terwijl ze vooruit zwemmen. Als krill niet constant zwemt, zullen ze beginnen te zinken omdat ze iets zwaarder zijn dan water. Om dit te voorkomen, moeten ze zelfs tijdens het vooruit zwemmen nog wat lift creëren om op dezelfde hoogte in het water te kunnen blijven.

De onderzoekers konden dat mechanisme ontdekken door de robot te gebruiken. Ze hebben een belangrijk effect geïdentificeerd van een 'lagedrukgebied' aan de achterkant van de zwemmende benen. Dat draagt bij aan de verhoging van de lift tijdens de krachtslag van de bewegende benen.

In de komende jaren hopen de onderzoekers voort te bouwen op dit eerste resultaat en het onderzoek verder uit te bouwen Het team werkt momenteel aan de integratie van morfologische kenmerken van garnalen in het robotplatform, zoals flexibiliteit en borstelharen rond de aanhangsels.

De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.

Foto: Wilhelmus Lab, Brown University