用于潜水机器人的生物启发式流量传感杯

对于开发机器人和人工智能(AI)系统的研究人员而言,自然可以成为宝贵的灵感来源。例如,潜水机器人的研究经常试图复制或结合在水生生物中观察到的机制,例如鱼类运动模式和鲨鱼皮肤纹理。

美国海军研究实验室和美国海军海底战争中心的一组研究人员最近开发了一种电容式流量传感装置,其灵感来自表面神经瘤,它基本上是鱼体和两栖动物体上可以探测水流的结构。这篇Cupula 在MDPI出版的一篇论文中展示,具有0.05微微法拉/毫米(pF / mm)的高灵敏度,可应用于各种设计用于水下部署的机器人和车辆。

“美国海军研究实验室和许多其他机构正在探索自然启发的方法,以提高水下机器人的效率和机动性,”开展这项研究的研究人员之一查尔斯罗德告诉TechXplore。“从本质上讲,创建一个人工鱼提供了超过传统的螺旋桨设计的许多好处。如果我们看看生物的同行,虽然,我们看到,他们的成功,是因为不仅仅是力学和人体运动更;鱼有阵列传感器沿他们的身体。“

鱼有一系列所谓的侧线传感器,提供流动条件反馈,允许它们在水下定位并检测附近的物体。Rohde和他的同事希望复制这些传感器并模仿它们的特性,以提高水下航行器的性能。

在鱼中观察到的生物杯状物由嵌有传感器毛发的凝胶组成,传感器毛发通过一系列神经附着在水生动物的大脑上。另一方面,由研究人员开发的人造玻璃杯由嵌有液态金属传感板的硅橡胶制成,其使用电线连接到微控制器。

研究人员开发的天然玻璃杯和人造玻璃杯之间的另一个区别是,前者采用电化学信号,后者是电容性的(即智能手机触摸屏,它依赖于电场的变化)。与触摸屏相比,生物启发设备不与外部物体(例如人的手指)相互作用。相反,它由相对于彼此移动和变形的液态金属板组成。

“液态金属(镓 - 铟)板形成两个电容传感器,这些传感器基于流体流动在硅胶杯上施加的力而变形,”参与该研究的另一位研究人员James Wissman解释说。“随着铜管变形,内部的液态金属板彼此靠近或远离,改变它们之间的电容。微控制器记录电容的这种变化,这可以通过实验和数学建模与外部流体流速相关。”

研究人员开发的电容式传感器具有高灵敏度,也可以排列成阵列。例如,可以在横向线上跨水下机器人布置数十个这些传感器,以捕获和跟踪水流特性。这些传感杯是柔软的; 因此,它们可以与人造皮肤材料结合,而不会增加生物启发机器的刚性。

Cupula样品显示其灵活性。图片来源:美国海军研究实验室。

“文献中还发表了其他几种基于头发和头发的流量传感器,但我们惊讶地发现只有另外一种水下,密封晶须启发的例子本质上是电容性的,”罗德说。“我们的研究结果表明,电容式传感是一种非常有前途的方法,我们希望我们的出版物能够鼓励其他人探索这种方法。”

Rohde,Wissman和他们的同事使用失蜡和真空注射技术制作了他们的生物传感器。然后,他们进行了一系列初步测试,以评估其性能。

与其他电容设备相比,它们的传感器将换能器整合到杯形本身中,而不是在其底座上。在他们的评估中,传感器制造的这一特定方面被证明是非常有效的,导致比先前开发的电容器件中观察到的更先进的传感能力。

“除了传感器本身,另一个重要方面是制造过程,”Wissman说。“为了在小型硅胶结构内部创造出如此复杂的结构,我们采用了独特的牺牲成型组合(想想失蜡铸造)和真空注入液态金属。这很容易扩展到其他设备,如复合体3 -D接线或天线。“

由Rohde,Wissman和他的同事开发的传感装置可以在潜水机器人领域中具有广泛的应用,因为它使得能够开发能够更有效地在水下环境中导航的机器人。在他们未来的工作中,研究人员计划将他们的设备小型化,目前这个设备高5毫米; 比在鱼中观察到的神经瘤大50倍。

较小版本的传感器可以更直接地测量边界层流动条件,甚至更接近机器人面向水的表面。然而,为了使传感器小型化,研究人员需要改变他们的制造方法。

到目前为止,Wissman和他的同事们主要关注稳定(或缓慢变化)的水流,但与湍流和涡流相关的超快流量变化(即每秒1,000-10,000次)可以提供有关机器人周围环境的更深入的洞察力。在他们即将进行的研究中,研究人员因此希望通过包括这些流量变化并考虑更快的数据采集技术来扩大他们的工作范围。

“我们还计划组装一系列人工穹顶 - 人造侧线 - 可以连接到潜水机器人,”Wissman说。“这个项目的高潮将是观察自动机器人鱼,借助我们的嵌入式传感器,成功地在有障碍物和水流的水池中航行。”

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