Инженеры из Университета штата Северная Каролина разработали Butterfly Bot – энергоэффективного мягкого робота, способного плавать более чем в 4 раза быстрее других водных роботов. Вдохновением для устройства послужила биомеханика скатов из рода мант.

По словам профессора механического и аэрокосмического инжиниринга Цзе Иня, до сих пор скорость мягких плавающих роботов не превышала длины тела устройства в секунду. Для оптимизации подводной робототехники учёные всегда подсматривали за морскими обитателями, однако команда Университета штата Северная Каролина впервые взяла за основу робота биомеханику морских дьяволов. Эти животные плавают, взмахивая плавниками, как крыльями: на досуге манты передвигаются со скоростью около 14,5 км/ч, однако в случае опасности они разгоняются до 24+ км/ч. В сравнении с другими морскими животными, их механизм передвижения отличается эффективностью, потому учёные решили попробовать воспроизвести их биомеханику в роботе в надежде получить более быстрое и энергоэффективное устройство.

Инженеры разработали два варианта роботов под названием Butterfly Bot. Хотя их конструкция имитирует строение рыбы, название устройств происходит от стиля плавания баттерфляй, при котором пловец совершает мощный симметричный гребок руками. Оба устройства получили бистабильные крылья-плавники, напоминающие заколку для волос типа «тик-так». Подобные заколки имеют два стабильных состояния, переход между которыми возможен только по достижении критического уровня нагрузки (изгиба). Плавники роботов присоединены к мягкому и гибкому силиконовому туловищу с воздушными камерами. Их наполнение воздухом заставляет туловище сгибаться, тем самым приводя в движение «крылья». По словам Иня, все прежние плавающие роботы приводились в движение прямым воздействием энергии моторчиков на подвижные части устройства. Пассивная передача энергии от тела к крыльям Butterfly Bot позволила упростить его конструкцию и сделать его более лёгким. Вес устройства составляет всего 2,8 грамма.

 Скоростная версия Butterfly Bot имеет лишь один «привод», который контролирует оба крыла одновременно. Таким образом учёные смогли сделать очень быстрое устройство, которым довольно трудно управлять. В частности, его средняя скорость соответствует 3,74 длины тела в секунду. Маневренная версия робота имеет два «привода» – по одному для каждого крыла. Его скорость составляет лишь 1,7 длины тела в секунду, однако независимое управление плавниками позволило сделать его максимально мобильным. Для оценки энергоэффективности летающих и плавающих животных и механизмов специалисты в области аэродинамики и биомеханики используют число Струхаля – соотношение амплитуды и частоты колебания подвижных частей тела в потоке жидкостей или газов. По словам соавтора исследования Иньдина Чи, в случае большинства животных это соотношение равно 0,2 – 0,4, и оба робота Butterfly Bot отлично вписываются в этот диапазон.

На текущем этапе развития главным недостатком Butterfly Bot является его привязка к трубкам, которые необходимы для нагнетания воздуха в камеры. Потому профессор Инь и его коллеги уже работают над автономной версией устройства.