Ένα λιοντάρι κολυμπά ενάντια στο ρεύμα, με την ουρά του να κινείται σαν ένα εκκρεμές σε αργή κίνηση. Αλλά αυτό το ψάρι δεν είναι σαν τους ψυχρόμονες ομολόγους του. Είναι ένα ρομπότ και, αντί του αίματος που τρέχει μέσω των φλεβών του, κυκλοφορεί ένα πυκνό ενεργειακό υγρό τόσο για να τροφοδοτήσει τις μπαταρίες του όσο και για να σπρώξει τα πτερύγιά του. Το ρομπότ, που περιγράφεται σήμερα στο περιοδικό Nature, μπορεί να είναι το πρώτο βήμα για την αντιμετώπιση δύο μεγάλων εμποδίων στη ρομποτική - δύναμη και έλεγχο - με μία λύση. Και χάρη στην άντληση υγρού υγρού μέσω του ψευδοαγγειακού του συστήματος, αυτό το ρομπότ μπορεί να είναι λίγο περισσότερο σαν εμάς.
Τα ρομπότ δεν δουλεύουν συνήθως με τον ίδιο τρόπο που κάνουν τα ζωντανά πράγματα. Αντί ενός περίπλοκου δικτύου πολυλειτουργικών εξαρτημάτων, τα ρομπότ τείνουν να είναι κατασκευασμένα από μεμονωμένα εξαρτήματα που εξυπηρετούν το καθένα με ένα μόνο σκοπό, εξηγεί ο μηχανικός μηχανικός Robert Shepherd του Πανεπιστημίου Cornell, κύριος ερευνητής της νέας μελέτης. Για παράδειγμα, μπορεί να έχουν ένα σύστημα για την αντιμετώπιση της εξουσίας και ένα άλλο για τον έλεγχο της κίνησης, κάτι που δεν είναι πάντα αποτελεσματικό. Αντιθέτως, το ανθρώπινο κυκλοφορικό σύστημα είναι πολυλειτουργικό: Παίρνει αίμα σε ολόκληρο το σώμα μας και με αυτό τον τρόπο βοηθά επίσης στη ρύθμιση της θερμοκρασίας του σώματος και μεταφέρει τα κύτταρα για να καταπολεμήσει τις λοιμώξεις.
Υπάρχουν παραδείγματα συστημάτων κυκλοφορίας στη φύση που είναι ακόμη πιο αποτελεσματικά από τα δικά μας. Στην πραγματικότητα, η αρχική έμπνευση του Shepherd για το robo-lionfish δεν ήταν στην πραγματικότητα πολύ κολυμβητής. Αντίθετα, ήταν γοητευμένος από το high-flying ιπποπόταμος θεός, ένα μεταναστευτικό πουλί που ονομάζει «σούπερ αθλητή». Ένα godwit μπορεί να πετάξει για μια εβδομάδα χωρίς να σταματήσει, αλλά πρώτα διπλασιάζει το βάρος του σε λίπος για να προετοιμαστεί για την πτήση.
"Αυτό πραγματικά κολλήσει μαζί μου ότι μπορείτε να προσθέσετε ενέργεια σε ένα ζώο με έναν πολυλειτουργικό τρόπο - τόσο θερμική μόνωση και αποθήκευση ενέργειας, και στη συνέχεια να το διανείμετε με έναν τρόπο που είναι αποτελεσματικός", λέει ο Shepherd. "Αν συγκρίνουμε αυτό με τις μπαταρίες μας [σε ρομπότ], συχνά δεν εκτελούν καμία άλλη λειτουργία από την παροχή ενέργειας και την προσθήκη βάρους."
Έχοντας αυτό κατά νου, ο Shepherd αναρωτιόταν αν υπήρχε ένας τρόπος να γίνουν οι μπαταρίες σε ρομπότ να διαχειριστούν με επιτυχία τόσο την εξουσία όσο και τον έλεγχο. Πολλά ρομπότ αντλούν ήδη υδραυλικά υγρά, όπως το νερό, μέσω των συστημάτων τους για να ασκήσουν δύναμη που κινεί μερικά από τα μέρη τους. Εάν μπορούσαν να αντικαταστήσουν ένα τυπικό υδραυλικό υγρό με ένα που αποθηκεύει ενέργεια, σκέφτηκε ότι το υγρό θα μπορούσε τότε να κάνει περισσότερο από απλά να διευκολύνει τη μηχανική κίνηση. Η χρήση ενός πολυλειτουργικού υδραυλικού συστήματος θα μπορούσε επίσης να εξοικονομήσει ενέργεια μακροπρόθεσμα, αφού τα παραδοσιακά ρομπότ με σταθερές μπαταρίες χρειάζονται συχνά πρόσθετες μπαταρίες για μακροχρόνια λειτουργία, οι οποίες προσθέτουν επιπλέον βάρος και μειώνουν την απόδοση.
Ο Shepherd και η ομάδα του, οι οποίοι έχουν υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το σχεδιασμό τους, χρησιμοποίησαν τις λεγόμενες μπαταρίες ροής ιωδιούχου ψευδαργύρου redox, οι οποίες έχουν σε αυτά ένα διάλυμα υγρού ηλεκτρολύτη που ενεργεί ως αποθέμα ενέργειας. Το πλούσιο σε ενέργεια υγρό συμβάλλει στις χημικές αντιδράσεις που φορτίζουν την μπαταρία, ενώ παράλληλα λειτουργεί ως υδραυλικό υγρό που κυκλοφορεί μέσα από το λιοντάρι και κινεί τα πτερύγιά του. Για να επιτρέπεται η κίνηση, τα πτερύγια είναι κατασκευασμένα από εύκαμπτα ηλεκτρόδια και ένα μαλακό δέρμα σιλικόνης. Η άντληση υδραυλικού ρευστού σε μία πλευρά του ουραίου πτερυγίου φουσκώνει το δέρμα και προκαλεί την κάμψη του πτερυγίου γύρω από τα άκαμπτα κεντρικά τμήματα προς την άλλη πλευρά. Η αναστροφή της κατεύθυνσης του υγρού λυγίζει το πτερύγιο με τον άλλο τρόπο, επιτρέποντας στα ψάρια να κολυμπήσουν καθώς το ρευστό ταλαντεύεται. Τα θωρακικά πτερύγια κινούνται επίσης από το ρευστό και μπορούν να ανεμιστήρα προς τα έξω, μιμούμενα τις κινήσεις των πτερυγίων για την επικοινωνία των λιονταριών.
Τοποθετώντας το λιοντάρι σε μια δεξαμενή αλμυρού νερού, η ομάδα παρατήρησε ότι το ρομπότ θα μπορούσε να κολυμπήσει με επιτυχία σε ένα ρεύμα. Σε πειράματα, άφησαν το ρομπότ να κολυμπήσει για δύο ώρες, αλλά υπολόγισε ότι θα μπορούσε να λειτουργήσει θεωρητικά για όσο διάστημα 36 ώρες. Υπολόγισαν επίσης ότι η ενεργειακή απόδοση του ρομπότ ήταν περίπου τρεις έως τέσσερις φορές καλύτερη από μια παραδοσιακή σχεδίαση χρησιμοποιώντας ένα κανονικό υδραυλικό υγρό όπως το νερό.
Ο Shepherd εξηγεί ότι η πολυλειτουργική χρήση των στερεών μπαταριών δεν είναι καινούργια. Για παράδειγμα, οι μπαταρίες σε ένα περονοφόρο όχημα λειτουργούν ως πηγή ενέργειας, ενώ παράλληλα παρέχουν βάρος για τη σταθεροποίηση του μηχανήματος κατά τη διάρκεια της βαριάς ανύψωσης. Αλλά η διαφορετική χρήση των υγρών μπαταριών δεν έχει εξερευνηθεί μέχρι τώρα. "Τώρα που η ιδέα είναι εκεί έξω, " λέει ο Shepherd, "Είμαστε αισιόδοξοι ότι όταν οι άνθρωποι χρησιμοποιούν υδραυλικό σύστημα, μπορούν να ρωτήσουν:" Μπορώ να αντικαταστήσω το υδραυλικό υγρό με ηλεκτρολυτικό υγρό - αυτό έχει νόημα με το κόστος ενέργειας έναντι βάρους για πιο πυκνό υγρό στο σύστημά μου; "
"Η ιδέα της χρήσης του υγρού ως μπαταρίας είναι πραγματικά μεγάλη", λέει ο Robert Katzschmann του ETH Zurich, ρομποτικός που έχει εργαστεί σε άλλα ρομποτικά ψάρια, αλλά δεν συμμετείχε σε αυτή την έρευνα. Ωστόσο, η Katzschmann διατηρεί ανησυχίες σχετικά με την αποδοτικότητα της μπαταρίας και τονίζει ότι η ιδέα μπορεί να εμφανιστεί καλύτερα από το νερό, όπου η αποφυγή του επιπλέον βάρους των συσσωρευτών στερεών μπαταριών καθίσταται κρίσιμη χωρίς τη βοήθεια της πλευστότητας.
"Θεωρητικά, είναι υπέροχο, γιατί θα μπορούσατε να κάνετε ένα ρομπότ που δεν είναι υποβρύχιο", λέει ο Katzschmann. "Αν θέλετε να κάνετε ένα ρομπότ με τα πόδια, είναι λίγο πιο δύσκολο. Και κανείς δεν έχει δείξει ένα πλήρως μαλακό ρομπότ που μπορεί να πετάξει, οπότε έχει νόημα να το δείξουμε υποβρύχια ως ιδέα, αλλά υπάρχει ακόμα πολλή δουλειά για να κάνουν ".
Ο Shepherd είναι αισιόδοξος για τη βελτίωση της μπαταρίας. Τονίζει ότι η χημεία της μπαταρίας τους είναι ασφαλής να χειριστεί αλλά "δεν είναι τόσο πυκνή όσο θα μπορούσε να είναι."
"Η πρόκληση είναι η αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας ενώ είναι ασφαλής", λέει. «Ξέρουμε πού μπορεί να πάει, αλλά πρέπει να πάμε εκεί πιο προσεκτικά». Όπως και ο Katzschmann, οραματίζεται αυτό το έργο συμβάλλοντας στα μελλοντικά ρομπότ στην ξηρά, τα οποία θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν σε αποστολές έρευνας και διάσωσης. "Έχουμε κάνει ένα τεντώσιμο σύστημα, οπότε η μορφή που περιορίζεστε σήμερα μπορεί να αλλάξει", προσθέτει ο Shepherd. "Βεβαίως, το μέλλον είναι υβριδικά συστήματα, τουλάχιστον για επίγεια συστήματα ... όπου μαλακά εξαρτήματα χρησιμοποιούνται για ανίχνευση και επικάλυψη σε ηλεκτρομηχανικά και ρευστά ενεργοποιητές".
Ενώ υπάρχουν πολλές προόδους που πρέπει να γίνουν στον τομέα της μαλακής ρομποτικής, το λιοντάρι Shepherd προτείνει ότι, μέχρι στιγμής, τα πράγματα κινούνται κατά μήκος της πισίνας.
