Le meduse robot potrebbero aiutare a servire i parchi eolici offshore

Le meduse robot potrebbero aiutare a servire i parchi eolici offshore
Il nostro robot si ispira alle comuni meduse lunari. Willyam Bradberry / Shutterstock 

Alcune delle ultime aree di natura incontaminata e incontaminata sulla Terra esistono sotto i mari. Eppure questi ecosistemi marini sono minacciati da progetti minerari in acque profonde, piattaforme petrolifere e parchi eolici offshore. Quando queste strutture vengono costruite e mantenute, tendono a danneggiare le ricche reti ecologiche che le circondano.

Roboticisti e ingegneri stanno lavorando per risolvere questo problema, cercando nuovi modi per creare macchine che potrebbero aiutare a riparare, mantenere o ispezionare i componenti sottomarini della crescente industria offshore. Guidato dai colleghi Thierry Bujard e Gabriel Weymouth dell'Università di Southampton, il mio team ha trovato una soluzione a questo problema, progettando robot sottomarini ispirati ai nuotatori più intelligenti della natura: le ultra efficienti meduse lunari.

I robot acquatici tradizionali sono progettati per due scopi principali: per efficienti, navigazione a lunga distanza su specchi d'acqua aperti e per attività che richiedono un'elevata manovrabilità in prossimità di strutture sommerse. Entrambi i tipi di robot sono efficaci, ma pochi robot combinano un viaggio efficiente con un'elevata manovrabilità. Ciò significa che la maggior parte dei robot acquatici sono troppo goffi e goffi per supportare l'industria offshore senza danneggiare anche l'ambiente sottomarino.

In effetti, con l'espansione degli sviluppi offshore in ambienti sempre più fragili, anche i robot marini all'avanguardia stanno lottando per far fronte alla complessità delle loro missioni. Molte ricerche sono attualmente in corso per sviluppare robot autonomi per acque profonde, con iniziative come Xprize offrendo finanziamenti ad alcune delle idee più interessanti.

Macchine marine

Per rispondere a queste sfide, gli ingegneri si sono rivolti alla biologia per ispirare nuove forme di propulsione subacquea robotica. Dopo milioni di anni di evoluzione, secondo la logica, le creature acquatiche dovrebbero offrire modelli per aiutare ad affrontare i punti deboli dell'attuale raccolto di robot sottomarini.

La modalità di nuoto dei pesci, basata sullo sbattere delle loro diverse pinne, è diventata la principale fonte di ispirazione per questi sperimentare nuovi veicoli subacquei. Ma la modalità di nuoto a getto pulsato preferita dalle meduse è ampiamente considerata come il meccanismo di propulsione subacquea più efficiente al mondo, offrendo una soluzione tecnologica più convincente che è molto più facile da imitare per i robotisti.

Il getto a impulsi si basa sull'espansione e contrazione cicliche di una cavità cava del corpo del campione. Questo sistema guida l'ingestione e l'espulsione dell'acqua, che alla fine fornisce alle meduse una forma di propulsione.


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Nonostante la sua semplicità, questa strategia di nuoto può risultare in un'incredibile agilità oltre ad essere altamente efficiente dal punto di vista energetico. Il calamaro più veloce può viaggiare fino a 8 metri al secondo utilizzando un sistema a getto di impulsi, mentre la medusa Aurelia aurita (noto anche come medusa della luna) è noto per essere il nuotatore più efficiente del pianeta.

Copiando questi organismi quando costruiamo robot sottomarini, possiamo progettare nuovi veicoli sottomarini in grado di combinare un'elevata manovrabilità con un'efficienza senza pari. Nel nostro recente ricerca, abbiamo sviluppato un nuovo robot bio-ispirato che può eguagliare l'efficienza propulsiva del Aurelia aurita. Per fare questo, abbiamo imitato il principio chiave che consente alle meduse di raggiungere la loro elevata efficienza propulsiva: la risonanza.

L'Aurelia aurita o medusa della lunaL'Aurelia aurita o medusa della luna è considerata la nuotatrice più efficiente sulla Terra. Richard A McMillin / Shutterstock

Robotica risonante

La risonanza è un fenomeno fisico comunemente riscontrato in molte attività quotidiane come camminare, giocare su un'altalena e anche cantando. Se osserviamo un pendolo che oscilla, ad esempio, sappiamo per esperienza che continuerà a oscillare fino a quando non si fermerà, sospeso in una posizione verticale determinata dalla gravità. La frequenza con cui oscilla il pendolo è indicata come la sua "frequenza naturale".

Per esperienza, sappiamo anche che se vogliamo mantenere il pendolo oscillante, il modo più semplice per farlo è dargli una spinta utile ogni volta che raggiunge il punto più alto della sua oscillazione, proprio come facciamo quando spingiamo un bambino più in alto su un'altalena. Quando lo facciamo, permettiamo al pendolo o all'oscillazione di "risuonare".

Quindi, la risonanza si verifica quando una forza esterna colpisce un sistema alla sua frequenza naturale, facendo sì che il sistema raggiunga oscillazioni di ampiezza maggiori a una frazione della forza necessaria. Questo è ciò che rende il funzionamento in risonanza così efficiente. Abbiamo applicato lo stesso principio alla propulsione del nostro robot ispirato alle meduse.

Abbiamo ipotizzato che progettando una medusa robot con un sistema propulsivo elastico, avremmo potuto sfruttare la frequenza naturale intrinseca di quell'elastico per guidare il meccanismo in risonanza. In risonanza, il nostro robot emetterebbe potenti getti pulsati a una frazione del costo energetico.

Il robot che abbiamo sviluppato ha una camera interna elastica, che si espande e collassa sotto l'effetto di un meccanismo a ombrello. Quando è stato testato in un serbatoio d'acqua, è stato scoperto che il robot aumenta la sua velocità di nuoto man mano che la velocità con cui pulsa si avvicina alla frequenza naturale della camera elastica della medusa robotica. Ha dimostrato che la nostra medusa robotica aveva raggiunto la risonanza.

L'efficienza di un sistema che si spinge, sia esso meccanico o biologico, si basa su un'equazione che unisce la potenza assorbita, la velocità del sistema e la sua massa. Quando applicata al nostro robot, questa equazione mette la nostra medusa robotica alla pari con il Aurelia aurita Medusa.

Questo è un risultato sorprendente con un duplice impatto. Da un lato, mostra per la prima volta che un sistema meccanico può raggiungere l'efficienza propulsiva dei migliori nuotatori della natura. D'altra parte, il nostro robot ha spiegato l'eccezionale nuoto delle sue controparti biologiche, che ora potrebbe aiutare i biologi a tornare allo studio di meduse e calamari con una prospettiva completamente nuova.

Alimentato da un sistema ispirato al più efficiente dei nuotatori della natura, il nostro robot medusa fornisce un prototipo di un robot subacqueo dinamico ed efficiente, che l'industria eolica offshore potrebbe un giorno utilizzare per mantenere le parti della loro infrastruttura che giacciono sotto le onde.

Informazioni sugli autori

Francesco Giorgio-Serchi, Rettore in Robotica e Sistemi Autonomi, Università di Edimburgo

Questo articolo è stato aggiornato il 24 febbraio 2021 per accreditare il team dell'Università di Southampton che ha anche lavorato a questa ricerca.The Conversation

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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