Subskrybuj nas na Youtube
Szukając nowych rozwiązań, naukowcy często podpatrują naturę. Kiedy więc inżynierowie z Politechniki Krakowskiej chcieli zbudować podwodnego robota, postanowili wzorować się na karpiu.
/>
Chociaż nasze roboty są coraz sprawniejsze i potrafią wykonywać coraz bardziej skomplikowane ruchy, to technice wciąż jest daleko do rozwiązań wymyślonych przez naturę. Przykłady można mnożyć. Choćby mechaniczny gepard, konstrukcja rozwijana od lat przez amerykańską firmę Boston Dynamics, w porównaniu z pierwowzorem wciąż porusza się topornie (nie mówiąc o wyglądzie), chociaż to jeden z najbardziej zaawansowanych pod względem ruchu robotów na świecie.
Nie wszyscy naukowcy chcą jednak prześcignąć naturę; niektórym wystarczy, że umiejętnie podpatrzą i wykorzystają jej know-how. Tak zrobili kilka lat temu ówcześni studenci, a dzisiejsi pracownicy Politechniki Krakowskiej, kiedy otrzymali zaliczeniowe zadanie na zajęciach z bioniki. – Mieliśmy przedstawić rozwiązanie, które będzie naśladować naturę. Wtedy część studentów zaczęła projektować mrówki, a my doszliśmy do wniosku, że zbudujemy rybę – opowiada mgr inż. Marcin Malec z PK, który nad wynalazkiem pracował razem z mgr. inż. Marcinem Morawskim.
Opracowana wówczas konstrukcja była na tyle udana, że zaczęła – jak prawdziwy, żywy organizm – ewoluować, przeradzając się w temat pracy magisterskiej, później rozprawy doktorskiej, a ostatecznie stała się międzyuczelnianym projektem realizowanym do spółki z m.in. Akademią Marynarki Wojennej w Gdyni.
Zgłoszony przez krakowskich naukowców do konkursu „Eureka! DGP” wynalazek to nie cała konstrukcja robota, ale alternatywny sposób napędzania płetw bocznych, który pozwala na oszczędności w zużyciu energii. Jak się bowiem okazuje, konstrukcja podwodnego robota to koronkowa praca, wymagająca utrzymania w delikatnej równowadze wielu parametrów jednocześnie.
Jednym z najważniejszych pytań, na jakie musieli odpowiedzieć sobie krakowscy inżynierowie, było o docelowy kształt robota. – W jego poszukiwaniu zrobiliśmy nawet wycieczkę do stawów hodowlanych, gdzie oglądaliśmy m.in. szczupaki i liny. Ostatecznie wybór padł na karpia, bo kształt tej ryby jest odpowiedni z konstruktorskiego punktu widzenia. Duże wygrzbiecenie sprawia, że karp ma wysoko położone metacentrum, czyli różnicę wysokości między środkiem ciężkości a środkiem wyporu. Dzięki skopiowaniu kształtu karpia nasza konstrukcja jest statyczna, to znaczy po wrzuceniu do wody sama przyjmuje pozycję pionową – tłumaczy Malec.
Kształt obudowy robota był tylko jednym z wielu wyzwań stojących przed młodymi inżynierami. Weźmy chociażby sam ruch. Ryba – w odróżnieniu od większości budowanych przez człowieka urządzeń – nie ma napędu śrubowego. Do przodu porusza się dzięki ruchom falistym, generowanym przez skurcze mięśni raz z jednej, raz z drugiej strony ciała. Ruch ten krakowski robot symuluje dzięki wprowadzeniu kilku ruchomych segmentów łączących korpus z płetwą ogonową. Co więcej, ta ostatnia również okazała się kluczowa dla całej konstrukcji. – Jak się okazało, jej niewłaściwy kształt może zmniejszyć moc wykorzystywaną do poruszania się o 30 proc. – mówi Morawski.
Do tego krakowski robot posiada również osobny napęd dla płetw bocznych.
Aby odwzorować naturalny ruch tych płetw w górę i w dół, obecnie silniczki te kręcą się raz w jedną, raz w drugą stronę. Ale za każdym razem kiedy zmieniają kierunek ruchu, muszą się zatrzymać, a następnie ruszyć z miejsca, marnując w ten sposób energię. Dlatego chcemy usprawnić ten mechanizm: silniczki będą się kręcić tylko w jedną stronę, a odpowiednio dobrane koła zębate przetłumaczą ten ruch na ruch góra – dół – mówi inżynier.
Przy konstrukcji podwodnego robota każda taka mała oszczędność jest na wagę złota. Im mniej będzie ważyła maszyna i im sprawniej będą działały jej podzespoły, tym dłużej będzie mogła zostać pod wodą bez konieczności naładowania ogniw. Świadomość tych wszystkich zależności towarzyszyła inżynierom od początku i była być może największym wyzwaniem. – Przypuśćmy, że projektujemy robota z myślą o tym, że będzie pływał dwie godziny. Cała konstrukcja musi być podporządkowana tej zasadzie. Jeśli bowiem dołożymy we wnętrzu dodatkowych ogniw – aby robot pływał dłużej – zmienią się parametry całej konstrukcji, w efekcie czego nasz robot będzie np. cały czas pochylony do przodu – mówi Malec. Zresztą, jak zapewnia inżynier, po tylu latach pracy nad konstrukcją wykorzystanie przestrzeni wewnątrz obudowy jest optymalne. Do tego stopnia, że – jak przekonuje Malec – nie zmieściłby się w środku nawet komputer klasy pico, czyli najmniejszy z najmniejszych. Elektronikę sterującą inżynierowie musieli sobie opracować sami.
Doświadczenia zdobyte przy konstrukcji Cyber Ryby, jak nazwana została konstrukcja, krakowscy inżynierowie wykorzystują teraz przy realizacji kolejnej odsłony podwodnego robota. Opracowywany wspólnie z m.in. Akademią Marynarki Wojennej Śledzik jest już bardziej zaawansowaną konstrukcją. Przede wszystkim ma znacznie większy korpus, który pozwoli na instalację dodatkowego sprzętu. Dzięki temu Śledzik będzie mógł np. dokonywać rekonesansu, zanim do akcji wkroczą nurkowie, monitorować stan wód pod kątem zanieczyszczeń czy prowadzić badania podmorskiego życia na większą niż dotychczas skalę.
Eureka! DGP
Trwa czwarta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 16 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 68 nadesłanych przez uczelnie i instytuty.
Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma – oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.
