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  • Una cúpula sensora de flujo de inspiración biológica para robótica sumergible

    La cúpula (área de luz) dentro del canal acrílico utilizado para pruebas experimentales. Dentro de la cúpula hay placas de galio-indio de metal líquido (área oscura). Crédito:Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.

    La naturaleza puede ser una valiosa fuente de inspiración para los investigadores que desarrollan robots y sistemas de inteligencia artificial (IA). Estudios en robótica sumergible, por ejemplo, a menudo han intentado replicar o incorporar mecanismos observados en la vida acuática, como patrones de locomoción de peces y texturas de piel de tiburón.

    Un equipo de investigadores del Laboratorio de Investigación Naval de los EE. UU. Y del Centro de Guerra Submarina de la Marina de los EE. UU. Ha desarrollado recientemente una cúpula capacitiva sensora de flujo inspirada en neuromasts superficiales, que son esencialmente estructuras en el cuerpo de peces y anfibios que pueden detectar el flujo de agua. Esta cúpula presentado en un artículo publicado en MDPI, exhibe una alta sensibilidad de 0.05 picofaradios por milímetro (pF / mm) y podría aplicarse a una variedad de robots y vehículos diseñados para ser desplegados bajo el agua.

    "El Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU., junto con muchas otras instituciones, está explorando medios inspirados en la naturaleza para lograr una mayor eficiencia y maniobrabilidad en robots submarinos, "Charles Rohde, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo a TechXplore. "En esencia, La creación de un pez artificial ofrece muchos beneficios sobre los diseños tradicionales impulsados ​​por hélice. Si miramos a las contrapartes biológicas, aunque, vemos que su éxito se debe a algo más que la mecánica y el movimiento corporal; los peces tienen series de sensores a lo largo de sus cuerpos ".

    Los peces tienen una serie de los llamados sensores de línea lateral que proporcionan retroalimentación de la condición del flujo, permitiéndoles orientarse bajo el agua y detectar objetos cercanos. Rohde y sus colegas querían replicar estos sensores e imitar sus propiedades para mejorar el rendimiento de los vehículos submarinos.

    Las cúpulas biológicas observadas en los peces se componen de gel incrustado con pelos sensores, que se adhieren al cerebro del animal acuático a través de una serie de nervios. La cúpula artificial desarrollada por los investigadores, por otra parte, está hecho de caucho de silicona incrustado con placas de detección de metal líquido, que están conectados a un microcontrolador mediante cables.

    Otra diferencia entre las cúpulas naturales y las artificiales desarrolladas por los investigadores es que mientras que la primera emplea señales electroquímicas, este último es capacitivo (es decir, como pantallas táctiles de teléfonos inteligentes, se basa en cambios en los campos eléctricos). A diferencia de las pantallas táctiles, el dispositivo bioinspirado no interactúa con objetos externos (por ejemplo, dedos humanos). En lugar de, Consiste en placas de metal líquido que se mueven y se deforman entre sí.

    "Las placas de metal líquido (galio-indio) forman dos sensores capacitivos que se deforman en función de las fuerzas impartidas en la cúpula de silicona por el flujo de fluido, "James Wissman, otros investigadores involucrados en el estudio, explicado. "A medida que la cúpula se deforma, las placas de metal líquido en el interior se acercan o alejan unas de otras, cambiando la capacitancia entre ellos. Un microcontrolador registra este cambio en la capacitancia, que puede relacionarse con la tasa de flujo del fluido exterior a través de la experimentación y el modelado matemático ".

    Los sensores capacitivos desarrollados por los investigadores tienen una alta sensibilidad y también se pueden organizar en matrices. Por ejemplo, docenas de estos sensores podrían colocarse a través de un robot submarino en una línea lateral, para capturar y rastrear las características del flujo de agua. Estas cúpulas sensoras son suaves; por lo tanto, pueden integrarse con materiales de piel artificial sin agregar rigidez a las máquinas bioinspiradas.

    Muestra de cúpula mostrando su flexibilidad. Crédito:Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.

    "Hay varios otros sensores de flujo basados ​​en cúpula y cabello publicados en la literatura, pero nos sorprendió encontrar solo otro bajo el agua, sello inspirado en bigotes que era de naturaleza capacitiva, ", Dijo Rohde." Nuestros resultados muestran que la detección capacitiva es un enfoque muy prometedor, y esperamos que nuestra publicación anime a otros a explorar este método ".

    Rohde, Wissman y sus colegas fabricaron su sensor bioinspirado utilizando técnicas de cera perdida e inyección al vacío. Luego llevaron a cabo una serie de pruebas preliminares para evaluar su desempeño.

    En comparación con otros dispositivos capacitivos, su sensor incorpora transductores en la propia cúpula, en lugar de en su base. En sus evaluaciones, este aspecto particular de la fabricación del sensor demostró ser muy efectivo, lo que lleva a capacidades de detección más avanzadas que las observadas en dispositivos capacitivos desarrollados previamente.

    "Aparte del sensor en sí, otro aspecto importante es el proceso de fabricación, ", Dijo Wissman." Para crear una estructura tan compleja dentro de una pequeña estructura de silicona, utilizamos una combinación única de moldeo de sacrificio (piense en fundición a la cera perdida) e inyección al vacío de metal líquido. Esto podría extenderse fácilmente a otros dispositivos, como antenas o cableado tridimensional complejo ".

    El dispositivo de detección desarrollado por Rohde, Wissman y sus colegas podrían tener una amplia variedad de aplicaciones en el campo de la robótica sumergible, ya que permite el desarrollo de robots que pueden navegar en entornos submarinos de forma más eficaz. En su trabajo futuro, los investigadores planean miniaturizar su dispositivo, que actualmente mide 5 mm de altura; 50 veces más grande que los neuromasts observados en peces.

    Una versión más pequeña del sensor podría permitir una medición más directa de las condiciones de flujo de la capa límite, incluso más cerca de la superficie de agua de un robot. Para miniaturizar el sensor, sin embargo, los investigadores deberán cambiar sus métodos de fabricación.

    Hasta aquí, Wissman y sus colegas se han centrado principalmente en flujos de agua constantes (o que cambian lentamente), pero variaciones de flujo ultrarrápidas (es decir> 1, 000-10, 000 veces por segundo) asociado con turbulencias y vórtices podría proporcionar una visión más profunda sobre el entorno circundante de un robot. En sus próximos estudios, Por lo tanto, a los investigadores les gustaría ampliar el alcance de su trabajo al incluir estas variaciones de flujo y buscar técnicas de adquisición de datos más rápidas.

    "También planeamos ensamblar una serie de cúpulas artificiales, una línea lateral artificial, que se pueda unir a un robot sumergible, ", Dijo Wissman." La culminación de este proyecto sería observar un pez robótico autónomo, con la ayuda de nuestros sensores integrados, navegar con éxito en una piscina con obstáculos y corrientes ".

    © 2019 Science X Network




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