Pez robot

Los ingenieros suelen centrarse en el diseño funcional. Por ejemplo, los diseñadores intentan crear robots con cuerpos flexibles (como los peces reales) que puedan exhibir un movimiento ondulatorio. Este tipo de cuerpo permite que el robot pez nade de forma similar a como lo hacen los peces vivos, lo que le permite adaptarse y procesar un entorno complejo. El primer robot pez (RoboTuna del MIT) fue diseñado para imitar la estructura y las propiedades dinámicas de un atún. Para obtener empuje y fuerza de maniobra, los sistemas de control del robot pez son capaces de controlar el cuerpo y la aleta caudal, lo que les confiere un movimiento ondulatorio. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Para controlar y analizar el movimiento de los peces robóticos, los investigadores estudian la forma, el modelo dinámico y los movimientos laterales de su cola. Una de las muchas formas de cola que se encuentran en los peces robóticos es la de media luna. Algunos estudios demuestran que este tipo de cola aumenta la velocidad de natación y crea un pez robótico de alta eficiencia.

La cola posterior genera fuerza de empuje, convirtiéndose así en una de las partes más importantes del pez robot. Los peces vivos poseen músculos potentes que pueden generar movimientos laterales para la locomoción, mientras que la cabeza permanece relativamente inmóvil. Por ello, los investigadores se han centrado en la cinemática de la cola al desarrollar el movimiento del pez robot. ^{[ 7 ]}

La teoría del cuerpo delgado se utiliza a menudo al estudiar la locomoción de peces robóticos. La tasa media de trabajo de los movimientos laterales es igual a la suma de la tasa media de trabajo disponible para producir el empuje medio y la tasa de liberación de energía cinética de los movimientos fluidos laterales. El empuje medio se puede calcular completamente a partir del desplazamiento y la velocidad de natación en el borde posterior de la aleta caudal. ^{[ 8 ]} Esta fórmula simple se utiliza para calcular la locomoción tanto de peces robóticos como vivos.

Los sistemas de propulsión realistas pueden ayudar a mejorar la maniobrabilidad autónoma y exhibir un mayor nivel de rendimiento de locomoción. Se puede utilizar una variedad de aletas en la creación de peces robot para lograr este objetivo. Al incluir aletas pectorales, los peces robot pueden realizar vectorización de fuerza y ​​ejecutar comportamientos de natación complejos en lugar de solo nadar hacia adelante. ^{[ 9 ]}

Las formas y tamaños de las aletas varían drásticamente en los peces vivos, pero todas contribuyen a lograr una alta propulsión en el agua. Para que los peces robóticos alcancen el mismo tipo de propulsión rápida y maniobrable, necesitan múltiples superficies de control. El rendimiento propulsor está relacionado con la posición, la movilidad y las características hidrodinámicas de dichas superficies. ^{[ 10 ]}

La clave para controlar un pez robótico multiarticular reside en crear un mecanismo simplificado capaz de generar un control razonable. Los diseñadores deben considerar factores importantes, como los movimientos laterales del cuerpo, los datos cinemáticos y los datos anatómicos. Al imitar un pez robótico tipo BCF, la onda corporal basada en eslabones debe proporcionar movimientos similares a los de un pez vivo. Este tipo de control de natación basado en la onda corporal debe ser discreto y estar parametrizado para una marcha específica. Garantizar la estabilidad de la marcha puede ser difícil, y la transición fluida entre dos marchas diferentes puede resultar complicada en los peces robóticos. ^{[ 11 ]}

Un sistema neural central conocido como " Generador Central de Patrones " (GCP) controla la locomoción de peces robóticos multilink. El GCP se encuentra en cada segmento y puede conectar y estimular los músculos que se contraen o se estiran. El cerebro , la parte más anterior del encéfalo en los vertebrados, controla las señales de entrada para iniciar, detener y girar. Una vez que los sistemas establecen una locomoción estable, la señal del cerebro cesa y los GCP pueden generar y modular los patrones de locomoción.

De forma similar a su función en los peces vivos, las redes neuronales se utilizan para controlar peces robóticos. Existen varios puntos clave en el diseño de redes neuronales biónicas. Primero, la hélice biónica emplea un servomotor para accionar una articulación, mientras que el pez posee dos grupos musculares en cada articulación. Los diseñadores pueden implementar un CPG en cada segmento para controlar la articulación correspondiente. Segundo, un modelo computacional discreto estimula los tejidos biológicos continuos. Finalmente, el tiempo de retardo de conexión entre neuronas determina el desfase intersegmental. La función de retardo en el modelo computacional es necesaria. ^{[ 12 ]}

Lograr una respuesta consistente es un desafío en los estudios de comportamiento animal cuando se utilizan estímulos vivos como variables independientes. Para superar este desafío, se pueden usar robots como estímulos consistentes para probar hipótesis, evitando así el entrenamiento y el uso de animales grandes . Estas máquinas controlables pueden diseñarse para "verse, sonar o incluso oler" como animales. Podemos obtener una mejor comprensión del comportamiento animal recurriendo al uso de robots en lugar de animales vivos, ya que los robots pueden producir una respuesta constante en un conjunto de acciones repetibles. Además, con diversas implementaciones en el campo y un mayor grado de independencia, los robots prometen ser de gran ayuda en los estudios de comportamiento en la naturaleza. ^{[ 13 ]}

Los peces robot de juguete son los juguetes robóticos más comunes en el mercado. Se utilizan principalmente para el entretenimiento, aunque algunos se emplean para la investigación. El diseño de estos juguetes es simple y económico. Generalmente se dividen en dos categorías: peces robot de navegación automática y peces robot de movimiento controlado. Los más simples constan de un cuerpo blando (MJ), un motor (cola) y una cabeza (elemento básico de control eléctrico). Utilizan una batería para alimentar el motor y generar el movimiento, y sistemas de control remoto para controlar la dirección. En contraste, la complejidad de los juguetes y peces robot con fines de investigación es casi la misma. No solo son completamente automáticos, sino que también pueden simular el comportamiento de los peces. Por ejemplo, si se coloca un objeto extraño en el agua con el pez robot, este producirá un movimiento similar al de un pez real. Se alejará del objeto extraño y aumentará su velocidad de natación. Exhibe un estado de sorpresa y confusión ante el objeto extraño, al igual que un pez real. Los peces robot registran este tipo de comportamiento con anticipación. ^{[ 14 ]}

La defensa militar y la protección marina son temas de creciente interés en el campo de la investigación. A medida que las misiones se vuelven más complejas, se requieren vehículos submarinos autónomos (AUV) de alto rendimiento. Los AUV necesitan propulsión rápida y maniobrabilidad multidireccional. Los peces robóticos son más competentes que los AUV actuales propulsados ​​por movimiento, ya que constituyen un paradigma de AUV bioinspirado. Al igual que los peces vivos, los peces robóticos pueden operar en entornos complejos. No solo pueden realizar exploración submarina y descubrir nuevas especies, sino que también pueden rescatar animales e instalar instalaciones submarinas. Al operar en entornos peligrosos, los peces robóticos muestran un rendimiento superior en comparación con otras máquinas. Por ejemplo, en la zona de coral, los peces robóticos flexibles se adaptan mejor al entorno. A diferencia de los AUV existentes, que no son flexibles, los peces robóticos pueden acceder a cuevas y túneles estrechos. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Además de su gran potencial para la investigación, los peces robóticos también ofrecen muchas oportunidades para involucrar a estudiantes y al público en general. Los robots bioinspirados son valiosos y eficaces, y pueden atraer a los estudiantes a diversas áreas de la ciencia, la tecnología, la ingeniería y las matemáticas. Los peces robóticos se han utilizado como herramientas educativas auxiliares en todo el mundo. Por ejemplo, miles de jóvenes se sintieron atraídos por los robots con forma de carpa durante una reciente exhibición en el Acuario de Londres. Científicos y otros investigadores han presentado diversos tipos de peces robóticos en numerosos programas de divulgación, incluidos el primer y el segundo Festival de Ciencia e Ingeniería de EE. UU., en 2010 y 2012, respectivamente. En estos eventos, los visitantes tuvieron la oportunidad no solo de ver los peces robóticos en acción, sino también de interactuar con los miembros del laboratorio para comprender la tecnología y sus aplicaciones. ^{[ 17 ]}