A água-viva robô pode ajudar a atender parques eólicos offshore
Nosso robô é inspirado na água-viva comum da lua. Willyam Bradberry / Shutterstock 

Algumas das últimas áreas de natureza intocada e intocada na Terra existem sob os mares. No entanto, esses ecossistemas marinhos estão sob ameaça de projetos de mineração em alto mar, plataformas de petróleo e parques eólicos offshore. Quando essas instalações são construídas e mantidas, elas tendem a danificar as ricas redes ecológicas ao seu redor.

Roboticistas e engenheiros estão trabalhando para resolver esse problema, procurando novas maneiras de criar máquinas que possam ajudar a reparar, manter ou inspecionar os componentes submarinos da crescente indústria offshore. Liderada pelos colegas Thierry Bujard e Gabriel Weymouth da University of Southampton, minha equipe encontrou uma solução para este problema, projetando robôs subaquáticos inspirados pelos nadadores mais espertos da natureza: a água-viva ultra-eficiente da lua.

Os robôs aquáticos tradicionais são projetados para dois propósitos principais: para eficiência, navegação de longa distância em trechos abertos de água e para tarefas que requerem alta capacidade de manobra perto de estruturas submersas. Ambos os tipos de robô são eficazes, mas poucos robôs combinam deslocamento eficiente com alta capacidade de manobra. Isso significa que a maioria dos robôs aquáticos são muito desajeitados e desajeitados para apoiar a indústria offshore sem prejudicar também o ambiente submarino.

De fato, com a expansão de empreendimentos offshore para ambientes cada vez mais frágeis, até mesmo robôs marinhos de última geração estão lutando para lidar com a complexidade de suas missões. Muitas pesquisas estão atualmente indo para o desenvolvimento de robôs autônomos de águas profundas, com iniciativas como Xprêmio oferecendo financiamento para algumas das ideias mais interessantes.


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Maquinas marítimas

Para responder a esses desafios, os engenheiros recorreram à biologia para inspirar novas formas de propulsão subaquática robótica. Depois de milhões de anos de evolução, a lógica continua, as criaturas aquáticas deveriam oferecer modelos para ajudar a resolver os pontos fracos da safra atual de robôs subaquáticos.

O modo de natação dos peixes, baseado no bater de suas diferentes nadadeiras, tornou-se a principal fonte de inspiração para aqueles experimentando com novos veículos subaquáticos. Mas o modo de natação a jato pulsante preferido pelas águas-vivas é amplamente considerado como o mecanismo de propulsão subaquática mais eficiente do mundo, oferecendo uma solução tecnológica mais atraente e muito mais fácil para os roboticistas imitarem.

O jato de pulso depende da expansão e contração cíclicas de uma cavidade oca do corpo do espécime. Esse sistema impulsiona a ingestão e a expulsão de água, o que, em última análise, fornece às águas-vivas uma forma de propulsão.

Apesar de sua simplicidade, essa estratégia de natação pode resultar em uma agilidade incrível, além de ser altamente eficiente em termos de energia. A lula mais rápida pode viajar até 8 metros por segundo usando um sistema de pulso-jato, enquanto a água-viva Aurélia aurita (também conhecido como a água-viva da lua) é conhecido por ser o nadador mais eficiente do planeta.

Ao copiar esses organismos quando construímos robôs subaquáticos, podemos projetar novos veículos subaquáticos capazes de combinar alta capacidade de manobra com eficiência incomparável. Na nossa pesquisas recentes, desenvolvemos um novo robô bioinspirado que pode corresponder à eficiência propulsiva do Aurélia aurita. Para fazer isso, imitamos o princípio-chave que permite que as águas-vivas atinjam sua alta eficiência propulsiva: a ressonância.

A Aurelia aurita ou água-viva da luaA Aurelia aurita ou água-viva da lua é considerada a nadadora mais eficiente da Terra. Richard A McMillin / Shutterstock

Robótica ressonante

A ressonância é um fenômeno físico comumente encontrado em muitas atividades cotidianas, como caminhar, brincar em um balanço e mesmo cantando. Se observarmos um pêndulo oscilante, por exemplo, sabemos por experiência que ele continuará oscilar até chegar ao repouso, pendurado na posição vertical conforme determinado pela gravidade. A frequência com que o pêndulo oscila é chamada de “frequência natural”.

Por experiência, também sabemos que se quisermos manter o pêndulo oscilando, a maneira mais fácil de fazer isso é dando-lhe um empurrãozinho sempre que ele atinge o ponto mais alto de sua oscilação, assim como fazemos quando empurramos uma criança mais para cima em um balanço. Quando fazemos isso, estamos permitindo que o pêndulo ou balanço “ressoe”.

Assim, a ressonância ocorre quando uma força externa afeta um sistema em sua frequência natural, fazendo com que o sistema alcance oscilações de amplitude maior em uma fração da força necessária. É isso que torna a operação em ressonância tão eficiente. Aplicamos o mesmo princípio à propulsão de nosso robô inspirado em águas-vivas.

Nossa hipótese é que, ao projetar uma água-viva robô com um sistema propulsor elástico, poderíamos explorar a frequência natural inerente desse elástico para levar o mecanismo à ressonância. Em ressonância, nosso robô emitiria poderosos jatos pulsados ​​a uma fração do custo de energia.

O robô que desenvolvemos tem uma câmara interna elástica, que se expande e desmorona sob o efeito de um mecanismo semelhante a um guarda-chuva. Quando testado em um tanque de água, descobriu-se que o robô aumentava sua velocidade de natação conforme a velocidade com que pulsava se aproximava da frequência natural da câmara elástica da água-viva do robô. Provou que nossa água-viva robô havia alcançado ressonância.

A eficiência de um sistema que se propulsiona, seja ele mecânico ou biológico, é baseada em uma equação que combina a potência absorvida, a velocidade do sistema e sua massa. Quando aplicada ao nosso robô, essa equação colocou nossa água-viva robô no mesmo nível do Aurélia aurita medusa.

Este é um resultado notável com um impacto duplo. Por um lado, mostra pela primeira vez que um sistema mecânico pode atingir a eficiência propulsiva dos melhores nadadores da natureza. Por outro lado, nosso robô explicou a excelente natação de suas contrapartes biológicas - o que agora pode ajudar os biólogos a retornar ao estudo de águas-vivas e lulas com uma perspectiva inteiramente nova.

Alimentado por um sistema inspirado nos mais eficientes nadadores da natureza, nossa água-viva robô fornece um protótipo de um robô subaquático dinâmico e eficiente, que a indústria de parques eólicos offshore pode um dia usar para manter as partes de sua infraestrutura que se encontram sob as ondas.

Sobre os autores

Francesco Giorgio-Serchi, bolsista do chanceler em robótica e sistemas autônomos, University of Edinburgh

Este artigo foi atualizado em 24 de fevereiro de 2021 para dar crédito à equipe da Universidade de Southampton que também trabalhou nesta pesquisa.A Conversação

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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