Ученые Корнеллского и Пенсильванского университетов разработали систему сосудов внутри роботизированного механизма, способную качать жидкость, запасать энергию и обеспечивать прочность всей конструкции. «Организмом» для нее стал прототип рыбы-крылатки, которая обитает в тропических коралловых рифах.
Длина робота — 40 сантиметров. Снаружи его покрывает водонепроницаемая силиконовая оболочка. Роль мышц и хрящей выполняют гибкие электроды и ионообменная мембрана, они позволяют искусственной рыбе изгибаться и плавать.
Внутри течет примерно 0,2 литра синтетической крови, которая представляет собой жидкий цинк-йодидный электролит. Именно он за счет электрохимических окислительно-восстановительных реакций приводит в движение весь механизм.
Так было решено две совершенно разные задачи одновременно: гидравлическая жидкость управляет рыбой и в то же время накапливает энергию, как в батарее.
Процесс циркуляции жидкости в устройстве похож на работу сердечно-сосудистой системы животных. Синтетическую кровь по организму перекачивают два гидравлических насоса, которые питаются от взаимосвязанных проточно-цинковых батарей.
Один насос заставляет двигаться хвост, перегоняя жидкость с одной стороны на другую, а второй перекачивает жидкость из спинных плавников в грудные, благодаря чему рыба может плыть по разной траектории.
Рыба-робот изнутри
Таким образом подача жидкости в определенный отдел увеличивает давление. Например, когда раздувается одна сторона хвоста, другая сжимается. Из-за этого сгибается хвост и рыба меняет направление движения.
Более того, робот способен сам себя заряжать и накапливать химическую энергию прямо внутри своих компонентов. Это позволит устройству функционировать несколько дней без подключения к источнику питания и громоздких аккумуляторных блоков. В теории максимальная продолжительность работы без подзарядки — до 36 часов.
«Мы поняли, что большинство роботов работает непродолжительное время. Их постоянно приходится перезаряжать, на что уходит по десять минут. Мы хотели решить эту проблему и придумали способ хранения энергии прямо в компонентах робота. Так называемая «кровь» — наш первый опыт хранения энергии в жидкости, которая обычно используется только для того, чтобы привести устройство в движение. Наша работа показывает, что энергоплотные гидравлические жидкости отлично подходят для механического и электрического питания внутри роботов».
Джеймс Пикул (James Pikul), соавтор исследования, Пенсильванский университет
Также ученым удалось решить проблему проточных редокс-аккумуляторов: плотность энергии в механизме составляет половину плотности энергии литий-ионной батареи автомобиля Tesla Model S.
Рыба-робот прошла тестирование в бассейне с морской водой. Пока плавает она не слишком быстро: против слабого течения рыба двигалась со скоростью около 15 сантиметров в минуту. А в воде вместе обещанных 36 часов пробыла всего два, но, по словам разработчиков, все впереди.
Сфера применения изобретения очень широка. Прежде всего, это еще один шаг к созданию автономных роботов, которые могут выполнять задачи без участия людей.
В этом случае речь идет о задачах, где нужно как можно дольше оставаться под водой или без доступа к кислороду: морская разведка, изучение океана и других планет, обследование трубопроводов и подводных кабелей.
Кроме того, технология сохранения и накопления энергии, которая используется в мягких роботах, может заметно улучшить характеристики машин с гидравлическими системами, например, автомобили и самолеты.