06/02/2023
Door Ad Spijkers
Eenvoudige herhalende elementen kunnen worden samengevoegd tot zwemmende vormen, variërend van palingachtig tot vleugelvormig.
Onderwaterconstructies die dynamisch van vorm kunnen veranderen zoals vissen dat doen, duwen veel efficiënter door het water dan conventionele stijve rompen. Maar het bouwen van vervormbare apparaten die de kromming van hun lichaamsvormen kunnen veranderen terwijl ze een glad profiel behouden, is een lang en moeilijk proces. RoboTuna van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge bijvoorbeeld bestond uit ongeveer drieduizend verschillende onderdelen en kostte ongeveer twee jaar om te ontwerpen en te bouwen.
Nieuwe benadering
Onderzoekers van MIT hebben een nieuwe benadering bedacht voor het bouwen van vervormbare onderwaterrobots. Ze maken gebruik van eenvoudige herhalende substructuren in plaats van unieke componenten. Het team heeft het nieuwe systeem gedemonstreerd in twee verschillende voorbeeldconfiguraties, de ene als een paling en de andere als een draagvleugelboot. Maar het principe maakt volgens de onderzoekers vrijwel onbeperkte variaties in vorm en schaal mogelijk.
Bestaande benaderingen van zachte robotica voor maritieme toepassingen worden over het algemeen op kleine schaal gemaakt. Maar voor nuttige toepassingen in de echte wereld zijn apparaten op een schaal van meters nodig. Het nieuwe modulaire systeem dat de onderzoekers voorstellen, zou gemakkelijk kunnen worden uitgebreid tot dergelijke afmetingen en verder, zonder het soort herinrichting en herontwerp dat nodig zou zijn om de huidige systemen op te schalen.
Voxels
Schaalbaarheid is een sterk punt van deze oplossing. Gezien de lage dichtheid en hoge stijfheid van de roosterachtige stukken (voxels genaamd) die hun systeem vormen, is er meer ruimte om te blijven opschalen. De momenteel meest gebruikte technologieën vertrouwen op materialen met een hoge dichtheid – met drastische problemen bij het overstappen naar grotere maten.
De individuele voxels in de experimentele apparaten van het onderzoeksteam zijn meestal holle structuren uit gegoten kunststof stukken met smalle stutten in complexe vormen. De doosachtige vormen zijn in één richting dragend maar zacht in andere. Dit wordt bereikt door stijve en flexibele componenten in verschillende verhoudingen te combineren.
Door het gladde flexibele lichaamsoppervlak kon het team stroomregeling implementeren die de luchtweerstand kan verminderen en de voortstuwingsefficiëntie kan verbeteren, wat resulteert in een aanzienlijke brandstofbesparing.
Slang
In een van de apparaten die door het team zijn geproduceerd, zijn de voxels end-to-end in een lange rij bevestigd om een meterslange, slangachtige structuur te vormen. Het lichaam bestaat uit vier segmenten, elk bestaande uit vijf voxels. Een actuator in het midden kan aan een draad trekken die aan elk van de twee voxels aan weerszijden is bevestigd. Hierdoor kunnen ze samentrekken en kan de structuur buigen. De hele structuur van twintig eenheden is bedekt met een ribachtige draagstructuur en een nauwsluitende waterdichte huid van neopreen.
De onderzoekers plaatsten de structuur in een MIT-sleeptank om de efficiëntie ervan in het water te tonen. Ze toonden aan dat het geheel voldoende voorwaartse stuwkracht kon genereren om zichzelf met golvende bewegingen voort te stuwen.
Er zijn al veel slangachtige robots geweest, over het algemeen gemaakt van op maat gemaakte componenten. De onderzoekers gebruikten eenvoudige bouwstenen die schaalbaar zijn. Zo bestond een door NASA gebouwde slangachtige robot uit duizenden unieke stukken. Voor de slang van deze onderzoeksgroep zijn er zo'n zestig zijn. Dit nieuwe apparaat is in ongeveer twee dagen in elkaar gezet.
Draagvleugel
Het andere apparaat, een vleugelachtige vorm, bestaat uit een reeks van dezelfde voxels. Maar de profielvorm kan veranderen en daardoor is de lift-to-drag verhouding en andere eigenschappen van de vleugel te beïnvloeden. Dergelijke vleugelachtige vormen kunnen voor verschillende doeleinden worden gebruikt. Dat varieert van het opwekken van energie uit golven tot het verbeteren van de efficiëntie van scheepsrompen. Dit is een actueel onderwerp aangezien de scheepvaart een belangrijke bron van koolstofemissies is.
De vleugelvorm is bedekt met een reeks schaalachtige overlappende tegels, ontworpen om op elkaar te drukken. Hierdoor behoudt de vleugel een waterdichte afdichting, zelfs als hij van kromming verandert. Een mogelijke toepassing zou een toevoeging kunnen zijn aan het profiel van een scheepsromp die de vorming van weerstand veroorzakende draaikolken zou kunnen verminderen.
Uiteindelijk zou het concept kunnen worden toegepast op een walvisachtig onderwatervaartuig, waarbij de veranderlijke lichaamsvorm wordt gebruikt om voortstuwing te creëren. Zo'n vaartuig zou slecht weer kunnen ontwijken door onder de oppervlakte te blijven, maar zonder het geluid en de turbulentie van conventionele voortstuwing. Het concept zou ook kunnen worden toegepast op delen van andere vaartuigen, zoals racejachten. Hier kan een kiel of roer dat tijdens een bocht licht kan buigen in plaats van recht te blijven voordeel opleveren.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: MIT