Robot kami terinspirasi oleh ubur-ubur bulan biasa. Willyam Bradberry / Shutterstock 

Beberapa area terakhir dari hutan belantara yang masih asli dan belum tersentuh di Bumi ada di bawah laut. Namun ekosistem laut ini terancam oleh proyek penambangan laut dalam, rig minyak, dan ladang angin lepas pantai. Ketika fasilitas ini dibangun dan dipelihara, mereka cenderung merusak jaringan ekologi yang kaya di sekitarnya.

Ahli robot dan insinyur bekerja untuk mengatasi masalah ini, mencari cara baru untuk membuat mesin yang dapat membantu memperbaiki, memelihara, atau memeriksa komponen bawah laut dari industri lepas pantai yang sedang tumbuh. Dipimpin oleh rekan kerja Thierry Bujard dan Gabriel Weymouth dari Universitas Southampton, tim saya telah melakukannya menemukan solusi untuk masalah ini, merancang robot bawah air yang terinspirasi oleh perenang paling cerdas di alam: ubur-ubur bulan yang sangat efisien.

Robot air tradisional dirancang untuk dua tujuan utama: untuk efisiensi, navigasi jarak jauh melintasi hamparan air terbuka, dan untuk tugas-tugas yang membutuhkan kemampuan manuver tinggi di dekat bangunan yang terendam. Kedua jenis robot ini efektif, tetapi hanya sedikit robot yang menggabungkan perjalanan yang efisien dengan kemampuan manuver yang tinggi. Itu berarti sebagian besar robot akuatik terlalu canggung dan kikuk untuk mendukung industri lepas pantai tanpa juga merusak lingkungan bawah laut.

Memang, dengan perluasan pembangunan lepas pantai ke lingkungan yang semakin rapuh, bahkan robot laut canggih pun berjuang untuk mengatasi kompleksitas misi mereka. Banyak penelitian saat ini sedang mengembangkan robot laut dalam otonom, dengan inisiatif seperti hadiah x menawarkan pendanaan untuk beberapa ide paling menarik.

Mesin kelautan

Untuk menanggapi tantangan ini, para insinyur telah melihat biologi untuk menginspirasi bentuk-bentuk baru penggerak robot di bawah air. Setelah jutaan tahun evolusi, logikanya, makhluk air harus menawarkan model untuk membantu mengatasi kelemahan robot bawah air saat ini.

Cara berenang ikan, berdasarkan kepakan sirip yang berbeda, telah menjadi sumber inspirasi utama bagi mereka bereksperimen dengan kendaraan bawah air baru. Tetapi mode berenang jet-pulsa yang disukai ubur-ubur secara luas dianggap sebagai mekanisme penggerak bawah air paling efisien di dunia, menawarkan solusi teknologi yang lebih menarik yang jauh lebih mudah untuk ditiru oleh para ahli robotik.

Pulse-jetting bergantung pada ekspansi dan kontraksi siklik dari rongga tubuh spesimen. Sistem ini mendorong konsumsi dan pengeluaran air, yang pada akhirnya memberikan bentuk penggerak bagi ubur-ubur.

Terlepas dari kesederhanaannya, strategi berenang ini dapat menghasilkan kelincahan yang luar biasa serta sangat hemat energi. Cumi-cumi tercepat dapat melakukan perjalanan hingga 8 meter per detik menggunakan sistem pulse-jet, sedangkan ubur-ubur aurelia aurita (juga dikenal sebagai ubur-ubur bulan) dikenal perenang paling efisien di planet ini.

Dengan meniru organisme ini saat kami membuat robot bawah air, kami dapat merancang kendaraan bawah air baru yang mampu menggabungkan kemampuan manuver tinggi dengan efisiensi tak tertandingi. Di kami penelitian terbaru, kami mengembangkan robot baru yang terinspirasi dari bio yang dapat menandingi efisiensi pendorong dari aurelia aurita. Untuk melakukan ini, kami meniru prinsip utama yang memungkinkan ubur-ubur mencapai efisiensi pendorongnya yang tinggi: resonansi.

Aurelia aurita atau ubur-ubur bulan dianggap sebagai perenang paling efisien di Bumi. Richard A McMillin / Shutterstock

Robotika resonan

Resonansi merupakan fenomena fisik yang biasa ditemui dalam berbagai aktivitas sehari-hari seperti berjalan, bermain ayunan dan bahkan bernyanyi. Jika kita mengamati pendulum yang berayun, misalnya, kita tahu dari pengalaman bahwa ia akan terus berosilasi hingga berhenti, tergantung dalam posisi vertikal sebagaimana ditentukan oleh gravitasi. Frekuensi ayunan pendulum disebut sebagai "frekuensi alami".

Dari pengalaman, kita juga tahu bahwa jika kita ingin menjaga agar bandul tetap berosilasi, cara termudah untuk melakukannya adalah dengan memberikan dorongan yang berguna setiap kali mencapai titik tertinggi osilasinya, seperti yang kita lakukan saat kita mendorong seorang anak lebih tinggi. di ayunan. Saat kita melakukan ini, kita membiarkan pendulum atau ayunan “beresonansi”.

Jadi, resonansi terjadi ketika gaya eksternal mempengaruhi sistem pada frekuensi alaminya, menyebabkan sistem mencapai osilasi amplitudo yang lebih besar pada sebagian kecil dari gaya yang dibutuhkan. Itulah yang membuat pengoperasian pada resonansi sangat efisien. Kami menerapkan prinsip yang sama pada penggerak robot kami yang terinspirasi dari ubur-ubur.

Kami berhipotesis bahwa dengan merancang robot ubur-ubur dengan sistem pendorong elastis, kami dapat memanfaatkan frekuensi alami yang melekat pada elastis tersebut untuk menggerakkan mekanisme ke resonansi. Dalam resonansi, robot kami akan mengeluarkan jet berdenyut kuat dengan sebagian kecil dari biaya energi.

Robot yang kami kembangkan memiliki ruang bagian dalam yang elastis, yang mengembang dan runtuh di bawah pengaruh mekanisme seperti payung. Saat diuji di tangki air, robot ditemukan meningkatkan kecepatan renangnya karena kecepatan denyutnya mendekati frekuensi alami ruang elastis ubur-ubur robot. Itu membuktikan bahwa robot ubur-ubur kami telah mencapai resonansi.

Efisiensi sistem yang mendorong dirinya sendiri, baik mekanis maupun biologis, didasarkan pada persamaan yang menggabungkan daya yang diserap, kecepatan sistem, dan massanya. Saat diterapkan pada robot kita, persamaan itu membuat robot ubur-ubur kita setara dengan aurelia aurita ubur-ubur.

Ini adalah hasil yang mengejutkan dengan dampak ganda. Di satu sisi, ini menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa sistem mekanis dapat mencapai efisiensi pendorong yang terbaik dari perenang alam. Di sisi lain, robot kami telah menjelaskan renang luar biasa dari rekan biologisnya - yang sekarang dapat membantu ahli biologi kembali mempelajari ubur-ubur dan cumi-cumi dengan perspektif yang sama sekali baru.

Didukung oleh sistem yang terinspirasi oleh perenang alam yang paling efisien, ubur-ubur robot kami menyediakan prototipe robot bawah air yang dinamis dan efisien, yang suatu hari nanti dapat digunakan oleh industri ladang angin lepas pantai untuk memelihara bagian infrastruktur mereka yang terletak di bawah ombak.

Tentang Penulis

Francesco Giorgio-Serchi, Rekan Kanselir dalam Robotika dan Sistem Otonomi, University of Edinburgh

Artikel ini diperbarui pada 24 Februari 2021 untuk menghargai tim dari Universitas Southampton yang juga mengerjakan penelitian ini.

Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.

Buku terkait

Drawdown: Rencana Komprehensif yang Paling Sering Diusulkan untuk Menghilangkan Pemanasan Global

oleh Paul Hawken dan Tom Steyer
Dalam menghadapi ketakutan dan apati yang meluas, sebuah koalisi internasional para peneliti, profesional, dan ilmuwan telah berkumpul untuk menawarkan serangkaian solusi realistis dan berani untuk perubahan iklim. Seratus teknik dan praktik dijelaskan di sini — beberapa diketahui dengan baik; beberapa Anda mungkin belum pernah mendengarnya. Mulai dari energi bersih hingga mendidik anak perempuan di negara berpenghasilan rendah hingga praktik penggunaan lahan yang menarik karbon dari udara. Solusi yang ada, layak secara ekonomi, dan komunitas di seluruh dunia saat ini menerapkannya dengan keterampilan dan tekad. Tersedia di Amazon

Merancang Solusi Iklim: Panduan Kebijakan untuk Energi Karbon Rendah

oleh Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Dengan dampak perubahan iklim yang sudah menimpa kita, kebutuhan untuk mengurangi emisi gas rumah kaca global sangatlah mendesak. Ini tantangan yang menakutkan, tetapi teknologi dan strategi untuk menghadapinya ada saat ini. Seperangkat kecil kebijakan energi, yang dirancang dan diterapkan dengan baik, dapat membawa kita ke jalan menuju masa depan rendah karbon. Sistem energi itu besar dan kompleks, sehingga kebijakan energi harus fokus dan hemat biaya. Pendekatan satu ukuran untuk semua tidak akan menyelesaikan pekerjaan. Pembuat kebijakan membutuhkan sumber daya yang jelas dan komprehensif yang menguraikan kebijakan energi yang akan berdampak terbesar pada masa depan iklim kita, dan menjelaskan cara merancang kebijakan ini dengan baik. Tersedia di Amazon

Ini Semua Perubahan: Kapitalisme vs Iklim

oleh Naomi Klein
In Ini Semua Perubahan Naomi Klein berpendapat bahwa perubahan iklim bukan hanya masalah lain yang harus diajukan antara pajak dan perawatan kesehatan. Ini adalah alarm yang memanggil kita untuk memperbaiki sistem ekonomi yang sudah gagal dalam banyak hal. Klein dengan cermat membangun kasus tentang seberapa besar pengurangan emisi rumah kaca kita adalah kesempatan terbaik kita untuk secara bersamaan mengurangi kesenjangan yang menganga, membayangkan kembali demokrasi kita yang rusak, dan membangun kembali ekonomi lokal kita yang hancur. Dia mengungkap keputusasaan ideologis dari penyangkal perubahan iklim, delusi mesianis dari calon geoengineer, dan kekalahan tragis dari terlalu banyak inisiatif hijau mainstream. Dan dia menunjukkan dengan tepat mengapa pasar tidak — dan tidak bisa — memperbaiki krisis iklim tetapi malah akan memperburuk keadaan, dengan metode ekstraksi yang semakin ekstrem dan merusak secara ekologis, disertai dengan kapitalisme bencana yang merajalela. Tersedia di Amazon

Dari Penerbit:
Pembelian di Amazon digunakan untuk membiayai biaya membawa Anda InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, dan ClimateImpactNews.com tanpa biaya dan tanpa pengiklan yang melacak kebiasaan browsing Anda. Sekalipun Anda mengeklik tautan tetapi tidak membeli produk-produk terpilih ini, apa pun yang Anda beli dalam kunjungan yang sama di Amazon memberi kami komisi kecil. Tidak ada biaya tambahan untuk Anda, jadi silakan berkontribusi untuk upaya ini. Anda juga bisa menggunakan link ini untuk digunakan ke Amazon kapan saja sehingga Anda dapat membantu mendukung upaya kami.