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Robot se basa en conocimientos sobre la dinámica de la navaja atlántica
La navaja del Atlántico utiliza muy poca energía para excavar en el suelo submarino a gran velocidad. Ahora, una visión detallada de cómo excava el animal ha llevado al desarrollo de una almeja robótica que puede realizar el mismo truco.
El dispositivo, conocido como RoboClam, podría usarse para excavarse en el suelo para enterrar anclas o destruir minas submarinas, según su desarrollador, Amos Winter, profesor asistente de desarrollo de carrera Robert N. Noyce de ingeniería mecánica en el MIT.
Una navaja (izquierda) y el RoboClam. Foto de Donna Coveny.
A pesar de su caparazón rígido, la navaja del Atlántico (Ensis directus) puede moverse a través del suelo a una velocidad de 1 centímetro por segundo. Además, el animal puede excavar hasta 0,5 kilómetros utilizando solo la cantidad de energía contenida en una batería AA. El truco de la almeja consiste en mover sus conchas de tal manera que licue la tierra alrededor de su cuerpo, reduciendo el arrastre que actúa sobre ella, dice Winter. Esto significa que requiere mucha menos fuerza para tirar de su caparazón hacia el suelo que cuando se mueve a través de un suelo estático.
Para desarrollar un robot que pueda realizar el mismo truco, Winter y su co-desarrollador, Anette Hosoi, profesora de ingeniería mecánica y matemáticas aplicadas en el MIT, necesitaban comprender cómo el movimiento de la almeja hace que el suelo se licue o se convierta en arenas movedizas. su caparazón. Ahora, en un artículo que se publicará en la revista Bioinspiración y biomimética , los investigadores revelan por primera vez la mecánica detrás de este proceso y describen cómo su robot es capaz de imitar esta acción.
Mecánica de arenas movedizas
Cuando la navaja comienza a cavar, primero retrae su caparazón, liberando la tensión entre su cuerpo y la tierra que lo rodea. Esto hace que el suelo comience a colapsar, creando un deslizamiento de tierra localizado alrededor del animal. A medida que la almeja continúa contrayéndose, reduciendo su propio volumen, succiona agua hacia esta región de suelo defectuoso. Las partículas de agua y arena se mezclan, creando un sustrato fluidizado: arenas movedizas.
Pero el momento es crucial. Si la almeja moviera su caparazón demasiado lentamente, las partículas de arena colapsarían alrededor del animal sin fluidificarse, dice Winter. Sin embargo, si la almeja se moviera demasiado rápido, no les daría a las partículas de arena el tiempo suficiente para mezclarse con el agua que fluye y simplemente permanecerían estacionarias. Nuestros datos mostraron que hubo una transición muy abrupta de poder fluidizar el suelo a no mover las partículas del suelo en absoluto, dice.
Para desarrollar un sistema de anclaje de baja energía que pueda crear arenas movedizas a su alrededor de esta manera, los investigadores construyeron una concha de marioneta mecánica, que consta de dos mitades que pueden moverse juntas y separarse de manera similar a un acordeón. La almeja títere está conectada a una varilla, que puede abrir y cerrar la concha y empujarla hacia arriba y hacia abajo, creando las mismas contracciones que el animal puede lograr.
Para facilitar la prueba de su prototipo de RoboClam en agua salada, los investigadores utilizaron un sistema de aire comprimido para impulsar la expansión y contracción de las carcasas. El equipo de Winter ahora está desarrollando una versión electrónica, que la hará compatible para su uso con vehículos submarinos desarrollados por el patrocinador del equipo, Bluefin Robotics, una spinout del MIT con sede en Quincy, Mass.
Anclaje que ahorra energía
Winter comenzó a desarrollar RoboClam para su investigación de doctorado en 2006, junto con Hosoi. Los investigadores querían encontrar una forma de anclar vehículos submarinos autónomos al lecho marino o al lecho de un río sin consumir una gran cantidad de energía. Los vehículos robóticos tienen una batería limitada, por lo que cualquier energía consumida por el sistema de anclaje reduciría el tiempo de funcionamiento del dispositivo.
Es posible que esté operando estos vehículos en una corriente y necesite que estén estacionados, por ejemplo, para monitorear una situación biológica o con fines militares, dice Winter. No querrá que el vehículo haga girar constantemente sus hélices para permanecer en un solo lugar porque eso solo desperdicia energía, por lo que sería bueno si pudiera desplegar un ancla y mantener su posición sin gastar energía.
Además de anclar vehículos submarinos y detonar minas, el RoboClam también podría usarse para tender cables submarinos, dice Winter. Las empresas que colocan cables transatlánticos tradicionalmente utilizan un barco para arrastrar un trineo por el fondo del océano para cavar un canal, tender el cable y cubrirlo. Sin embargo, cuando la profundidad del agua del océano desciende a 10 metros o menos, se vuelve demasiado poco profunda para que los barcos la atraviesen. Esto significa que los buzos humanos tienen que hacerse cargo de colocar y enterrar los cables, lo que requiere mucho tiempo y es costoso. Sería genial tener un sistema que pudiera simplemente engancharse al cable, avanzar y enterrarlo automáticamente en el suelo, dice Winter.
Daniel Goldman, profesor asociado de física en el Instituto de Tecnología de Georgia que no participó en la investigación, dice que el artículo contiene una hermosa integración de biología y robótica. Utiliza conocimientos de la física del suelo para avanzar en nuestra comprensión de la biomecánica detrás de una impresionante hazaña de locomoción del organismo: excavar verticalmente en el suelo, dice Goldman.
Al descubrir un principio detrás de esta habilidad, la fluidización localizada, los investigadores pueden darle a una almeja excavadora robótica, RoboClam, habilidades similares. Y el estudio del robot brinda una visión más profunda de la mecánica importante detrás de la excavación a través de la fluidización localizada, agrega.