Рыбороботы помогли ученым понять, почему настоящие рыбы плавают косяками
Международная команда ученых создала рыб-роботов, чтобы понять, как у настоящих рыб получается экономить энергию, плавая косяками. Выяснилось, что им помогают водяные вихри, которые создают те, кто плывет впереди. При этом рыбы регулируют скорость ударов хвостом относительно соседей — она зависит от расстояния между ними.
Это исследование невозможно было провести с настоящими рыбами, потому что необходимо было измерить расход энергии. В предыдущих экспериментах ученые пытались пользоваться теоретическими моделями, но теперь решили подойти к проблеме экспериментально.
Они создали рыбороботов с мягкими хвостами, которые могут имитировать движения настоящей рыбы. Такой гаджет позволяет измерить энергопотребление.
Исследователи провели около 10 000 испытаний — рыбороботы плавали во всех возможных положениях друг к другу.
Без труда не сделаешь рыбу-робота
Европейские исследователи создали робота, который обладает боковой линией — уникальным органом чувств у рыб. Благодаря этому подводная робототехника выходит на совершенно новый уровень развития.
Одна из отличительных черт рыб (а также личинок земноводных) — это наличие уникального органа чувств — боковой линии. Рецепторы боковой линии называются невромастами, каждый из них состоит из группы волосковых клеток, находящихся на коже животного или под ней в каналах. Эти клетки способны воспринимать колебания волн, лежащих в низкочастотном диапазоне, и отслеживать распределение давления и поля скоростей в воде. Такая сейсмосенсорная система принимает участие в самых важных формах поведения: питании, размножении, защитном и миграционном поведении. Совершенно слепые пещерные рыбы вообще ориентируются только благодаря боковой линии, а зрячие полагаются на нее в полной темноте. Боковая линия помогает рыбам уловить мельчайшие колебания воды и понять, где добыча, а бычки с ее помощью могут находить источник колебаний даже в донном субстрате.
Вот бы научить робота чувствовать себя «как рыба в воде», подумала четыре года назад профессор робототехники Мааря Круусмаа из Таллинского Технологического университета и собрала международную команду исследователей FILOSE (Robotic FIsh LOcomotion and Sensing — Локомоция и восприятие рыбы робота), в которую вошли специалисты из Эстонии, Латвии, Италии и Великобритании. Перед командой стояла цель: создать рыбу-робота, которая могла бы полностью имитировать те движения, что совершает рыба. Но для этого рыба-робот должна обладать боковой линией. Оказалось, что наличие такого сенсора выводит подводную робототехнику на принципиально новый уровень, так как обращает недостатки в преимущества.
«При управлении моделями изменения движения воды считались в робототехнике помехой, которая сбивает модели с курса. А мы показали, что потоки и колебания воды являются не помехой, а источником информации, которая позволяет лучше контролировать робота. Если мы поймем динамику движения воды, то такие колебания могут быть и источником энергии для подводного объекта», – рассказывает Круусмаа.
Дело в том, что робот способен экономить энергию, находя благоприятные места в потоке. Он обнаруживает направление потока, может плыть против течения или напротив, держаться в нем, чтобы двигаться с его скоростью так же, как это делают рыбы или автомобилисты, пристраиваясь в гонке за лидером. А недолговечность элементов питания для автономных подводных аппаратов — одна из важных проблем.
Прообразом рыбы-робота стала радужная форель — ее форму и размеры тела (около 50 см в длину) имеет и силиконово-электронный робот, вдоль тела которого расположены крохотные искусственные датчики для контроля перепадов давления воды при движении. Так как мы не обладаем подобным чувством, то даже не имеем подходящего слова, чтобы описать то, что по идее должна чувствовать рыба.Исследователи придумали новый термин – «flowscape» (от английских слов flow – течение и scape – пейзаж) для описания тех изменений, которые ощущает рыба при помощи боковой линии.
Эксперименты с течением показали, что рыба-робот может экономить энергию путем нахождения энергетически благоприятных участков в потоке воды или занимать такое положение, что возникающие водяные вихри помогают толкать робота вперед. Роботы также могут плыть против течения или дрейфовать.
Кроме боковой линии, рыба-робот имеет и другие сенсоры: она умеет измерять температуру воды, определять ее химический состав и другие параметры. В будущем таких роботов планируется использовать для мониторинга самых различных водоемов, лишь настроив необходимые параметры под определенные условия.
Рыба-робот могла бы также пригодиться ученым в качестве лабораторного животного. Это, кстати, сегодня весьма перспективная тема в робототехнике. Не так давно японские инженеры создали робокрысу, которая помогает моделировать различные ситуации в опытах с настоящими крысами. Вот и роботизированная рыба, умеющая двигаться как настоящая, поможет в изучении поведения и физиологии обитателей подводного мира, считают ученые.
Изучить сердце
По мере созревания клеток скорость, амплитуда мышечных сокращений и координация мышц возрастали. В конце концов робот достиг скорости плавания, характерной для натуральных рыбок данио.
Авторы разработки заявили, что на этой платформе можно будет в дальнейшем не только создавать сложные самоподдерживающиеся биомеханические устройства, но и изучать естественные механизмы работы сердца человека в медицинских целях.
“Прямо в сердце” – Кардиолог о страшных последствиях коронавируса
Искусственная «кровеносная» система робота
Разработанная инженерами роботрыба похожа на лучеперую рыбу-зебру. Ее конструкцию пронизывают гибкие искусственные сосуды, состоящие из связанных между собой проточных аккумуляторов. Внутри каждого такого аккумулятора есть положительный и отрицательный электроды (анод и катод), разделенные мембраной.
Специальные небольшие насосы перекачивают по всей этой цепочке жидкий электролит (иодид цинка). Энергию, которая возникает при движении электронов от анода к катоду, роборыба использует для функционирования электронных систем робота. При этом ее плавники приводятся в движение непосредственно за счет движения жидкости внутри них. Такой подход позволил увеличить объем энергии, хранимый в роботе на 325 процентов, отмечают разработчики.
В ходе испытания роборыба могла плавать автономно в течение длительного времени (до 37 часов без подзарядки) со скоростью около 1,5 длины тела в минуту при движении против течения.
Обсудить новость можно в нашем Telegram-чате.
Как создать максимально автономного робота?
Создание максимально автономных роботов, способных самостоятельно работать в течение продолжительных периодов времени является ключевой проблемой в робототехнике. Между тем такие машины очень пригодились бы, например, при выполнении продолжительных поисково-спасательных операциях или в ходе глубоководных исследований, говорит Сесилия Ласки, робототехник из Школы перспективных исследований имени Святой Анны в Италии.
Краеугольным камнем на пути создания таких максимально автономных машин является вопрос сохранения хранения. Даже самые современные роботы, имитирующие человека или животных, обычно не обладают многофункциональными и связанными друг с другом «жизнеобеспечивающими» системами, как у живых организмов.
У того же человека необходимые питательные вещества во все органы поставляет кровь, постоянно циркулирующая по телу. Робот же получает энергию от аккумуляторов, и чем больше ему нужно энергии, тем сложнее оснастить его аккумуляторами без ущерба для автономности и общего веса.
Какими будут роботы-рыбы будущего? чем они будут заниматься?
Несомненно, этот пловец не из плоти и крови – новейшее оружие ученых в борьбе за чистоту окружающей среды, а военные ведомства давно разрабатывают роборыб, способных тихо и неприметно подбираться к кораблям противника. Ученые уже в недалеком будущем планируют с помощью роботов-вожаков управлять стаями настоящих рыб, уводя их от угрозы или опасности.
Немного о данио
Как следует из статьи, опубликованной в журнале Science, в основе устройства весом 25 миллиграммов лежат кардиомиоциты, полученные из стволовых клеток человека. Именно они, формируя аналог хвостового плавника, позволяют биомеханическому роботу имитировать движение рыбки данио, которая часто используется учёными как объект для исследований.
Так, нейробиологи из Университета Южной Калифорнии недавно провели серию опытов с такими рыбками (их чаще называют рыбками-зебрами) для изучения процесса формирования воспоминаний. Головы данио практически прозрачны, и их мозговую активность проще отслеживать.
В процессе эксперимента был применён так называемый Павловский метод, позволяющий создавать у рыбок новые воспоминания. Оказалось, что когда рыбкам наносились травмы, они хорошо запоминали это и соответственно корректировали своё поведение. Например, головы подопытных нагревали инфракрасным лучом (мощный стимул) и те начинали махать хвостом, чтобы уплыть от источника горячего излучения.
Специалистам удалось составить трёхмерную карту мозга рыбок-зебр, после чего они смогли фиксировать на ней изменения в мозгу рыб. Выяснилось, что в процессе образования каждого нового воспоминания или ассоциации старые синапсы уничтожались и формировались новые. Так рыбки усваивали, что от света и тепла нужно уплывать.
Принцип растяжения
Но в экспериментах с роботом живые рыбки никак не участвовали. Зато был использован принцип движения данио в дикой природе.
В системе используются два слоя мышечных клеток (бислой). Когда один из них растягивается, другой сжимается. При растяжении открываются механочувствительные белковые каналы, что приводит к сокращению, затем к растяжению и так далее. Таким образом обеспечивается 108-дневный цикл автономной работы устройства.
Чтобы осуществлять вторичный контроль за этими циклами, инженеры построили из тех же кардиомиоцитов аналог сердечного синусового узла — G-узел. Его задача — посылать электрические сигналы мышцам плавника, таким образом выполняя роль кардиостимулятора.
