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

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.

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.

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.