Een lionfish zwemt tegen de stroom in, zijn staart beweegt als een slinger in slow motion. Maar deze vis is niet zoals zijn koudbloedige tegenhangers. Het is een robot en in plaats van bloed dat door zijn aderen stroomt, circuleert het een energierijke vloeistof om zowel zijn batterijen van stroom te voorzien als zijn vinnen te duwen. De robot, vandaag beschreven in het tijdschrift Nature, is misschien de eerste stap in het aanpakken van twee grote hindernissen in robotica - kracht en controle - met één oplossing. En dankzij de energetische vloeistof die door zijn pseudovasculaire systeem pompt, lijkt deze robot misschien een beetje meer op ons.
Robots werken meestal niet op dezelfde manier als levende dingen. In plaats van een ingewikkeld netwerk van multifunctionele onderdelen, zijn robots meestal gemaakt van geïsoleerde componenten die elk een enkel doel dienen, verklaart werktuigbouwkundig ingenieur Robert Shepherd van Cornell University, hoofdonderzoeker van de nieuwe studie. Ze kunnen bijvoorbeeld een systeem hebben om stroom aan te spreken en een ander om beweging te regelen, wat niet altijd efficiënt is. De menselijke bloedsomloop is daarentegen multifunctioneel: het pompt bloed door ons lichaam en helpt daarmee ook onze lichaamstemperatuur te reguleren en transporteert cellen om infecties te bestrijden.
Er zijn voorbeelden van circulatiesystemen in de natuur die nog efficiënter zijn dan die van ons. In feite was de eerste inspiratie van Shepherd voor de robo-lionfish niet echt een zwemmer. Integendeel, hij was gefascineerd door de hoog vliegende grutto, een trekvogel die hij een 'superatleet' noemt. Een grutto kan een week vliegen zonder te stoppen, maar verdubbelt eerst zijn vetgewicht om zich voor te bereiden op de vlucht.
"Dat is me echt bijgebleven dat je op een multifunctionele manier energie aan een dier kunt toevoegen - zowel thermische isolatie als opslag van energie, en het vervolgens op een efficiënte manier distribueren, " zegt Shepherd. "Als je dat vergelijkt met onze batterijen [in robots], vervullen ze vaak geen andere functie dan energie leveren en gewicht toevoegen."
Met dit in gedachten vroeg Shepherd zich af of er een manier was om batterijen in robots met succes zowel vermogen als besturing te laten beheren. Veel robots pompen al hydraulische vloeistoffen, zoals water, door hun systemen om kracht uit te oefenen die sommige van hun onderdelen beweegt. Als ze een typische hydraulische vloeistof konden vervangen door een vloeistof die energie opslaat, dacht hij dat de vloeistof dan meer zou kunnen doen dan alleen mechanische beweging mogelijk maken. Het gebruik van een multifunctionele hydrauliek kan ook op de lange termijn energie besparen, omdat traditionele robots met solide batterijen vaak extra batterijpakketten nodig hebben voor langdurig gebruik, die extra gewicht toevoegen en de prestaties verminderen.
Shepherd en zijn team, die patent hebben aangevraagd op hun ontwerp, gebruikten zogenaamde zinkjodide redox-stroombatterijen, die een vloeibare elektrolytoplossing bevatten die als energiereserve fungeert. De energierijke vloeistof draagt bij aan chemische reacties die de batterij opladen, terwijl het ook werkt als een hydraulische vloeistof die circuleert door de lionfish en zijn vinnen beweegt. Om beweging mogelijk te maken, zijn de vinnen gemaakt van flexibele elektroden en een zachte siliconenhuid. Het pompen van hydraulische vloeistof in een kant van de staartvin blaast de huid op en zorgt ervoor dat de vin rond de stijvere middensecties buigt naar de andere kant. Omkeren van de richting van de vloeistof buigt de vin de andere kant op, waardoor de vis kan zwemmen terwijl de vloeistof oscilleert. Borstvinnen worden ook aangedreven door de vloeistof en kunnen naar buiten waaien, wat de vinbewegingen nabootst die lionfish gebruikt om te communiceren.
Door de lionfish in een zoutwatertank te plaatsen, merkte het team op dat de robot met succes tegen een stroom in kon zwemmen. In experimenten lieten ze de robot maximaal twee uur zwemmen, maar berekenden dat het theoretisch zo lang als 36 uur kon werken. Ze schatten ook dat de energieprestaties van de robot ongeveer drie tot vier keer beter waren dan een traditioneel ontwerp met een normale hydraulische vloeistof zoals water.
Shepherd legt uit dat het multifunctionele gebruik van vaste batterijen niet nieuw is. De batterijen in een vorkheftruck fungeren bijvoorbeeld als een energiebron, terwijl ze ook gewicht leveren om de machine tijdens zwaar tillen te stabiliseren. Maar het uiteenlopende gebruik van vloeibare batterijen is tot nu toe niet onderzocht. "Nu het idee daar is, " zegt Shepherd, "zijn we hoopvol dat wanneer mensen hydraulica gebruiken, ze kunnen vragen:" Kan ik de hydraulische vloeistof vervangen door elektrolytische vloeistof? Is dat logisch met de energiekosten versus het gewicht voor een dichtere vloeistof in mijn systeem? '”
"Het idee om de vloeistof als batterij te gebruiken is echt geweldig", zegt Robert Katzschmann van ETH Zurich, een robot die aan andere robotvissen heeft gewerkt, maar niet betrokken was bij dit onderzoek. Katzschmann blijft echter bezorgd over de efficiëntie van de batterij en benadrukt dat het concept beter uit het water kan worden getoond, waarbij het vermijden van het extra gewicht van solide batterijpakketten van cruciaal belang is zonder drijfvermogen.
"In theorie is het geweldig, want je zou een robot kunnen maken die niet onder water is", zegt Katzschmann. “Als je een lopende robot wilt maken, is het iets moeilijker. En niemand heeft een volledig zachte robot laten zien die kan vliegen, dus het is logisch om het als een idee onder water te laten zien, maar er is nog veel werk voor hen te doen. "
Shepherd is optimistisch over de verbetering van de batterij. Hij benadrukt dat de chemie van hun batterij veilig is om mee om te gaan, maar "niet zo energierijk als het zou kunnen zijn."
"De uitdaging is om de energiedichtheid te verhogen en toch veilig te zijn", zegt hij. "We weten waar het naartoe kan, maar we moeten daar voorzichtiger naar toe gaan." En net als Katzschmann ziet hij dit werk bijdragen aan toekomstige robots op het land, die mogelijk kunnen worden gebruikt in zoek- en reddingsmissies. "We hebben een rekbaar systeem gemaakt, dus de vorm waartoe je momenteel beperkt bent, kan veranderen, " voegt Shepherd eraan toe. "Zeker, de toekomst is hybride systemen, althans voor terrestrische systemen ... waar zachte delen worden gebruikt voor detectie en bedekt met elektromechanische en vloeistofactuatoren."
Hoewel er veel vooruitgang kan worden geboekt op het gebied van zachte robotica, suggereert de leeuwvis van Shepherd dat de dingen tot nu toe in elk geval zwemmen.
