หุ่นยนต์ของเราได้รับแรงบันดาลใจจากแมงกะพรุนพระจันทร์ทั่วไป วิลเลี่ยม แบรดเบอร์รี/Shutterstock 

พื้นที่สุดท้ายบางส่วนของถิ่นทุรกันดารที่เก่าแก่และไม่มีใครแตะต้องบนโลกอยู่ใต้ทะเล ระบบนิเวศทางทะเลเหล่านี้อยู่ภายใต้การคุกคามจากโครงการขุดในทะเลลึก แท่นขุดเจาะน้ำมัน และฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่ง เมื่อมีการสร้างและบำรุงรักษาสิ่งอำนวยความสะดวกเหล่านี้ มักจะสร้างความเสียหายให้กับเครือข่ายทางนิเวศวิทยาที่อุดมสมบูรณ์รอบๆ

นักวิทยาการหุ่นยนต์และวิศวกรกำลังทำงานเพื่อแก้ไขปัญหานี้ โดยค้นหาวิธีใหม่ในการสร้างเครื่องจักรที่อาจช่วยซ่อมแซม บำรุงรักษา หรือตรวจสอบส่วนประกอบใต้ท้องทะเลของอุตสาหกรรมนอกชายฝั่งที่กำลังเติบโต นำโดยเพื่อนร่วมงาน Thierry Bujard และ Gabriel Weymouth จาก University of Southampton ทีมของฉันมี พบทางออก สำหรับปัญหานี้ การออกแบบหุ่นยนต์ใต้น้ำที่ได้รับแรงบันดาลใจจากนักว่ายน้ำที่ฉลาดที่สุดในธรรมชาติ นั่นคือ แมงกะพรุนพระจันทร์ที่ทรงประสิทธิภาพ

หุ่นยนต์ทางน้ำแบบดั้งเดิมได้รับการออกแบบมาเพื่อวัตถุประสงค์หลักสองประการ: เพื่อประสิทธิภาพ การนำทางทางไกล ข้ามผืนน้ำที่เปิดโล่ง และสำหรับงานที่ต้องการความคล่องตัวสูงใกล้กับโครงสร้างที่จมอยู่ใต้น้ำ หุ่นยนต์ทั้งสองประเภทมีประสิทธิภาพ แต่มีหุ่นยนต์เพียงไม่กี่ตัวที่รวมการเดินทางที่มีประสิทธิภาพเข้ากับความคล่องตัวสูง นั่นหมายความว่าหุ่นยนต์ในน้ำส่วนใหญ่เงอะงะและเกะกะเกินกว่าจะสนับสนุนอุตสาหกรรมนอกชายฝั่งโดยไม่ทำอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมใต้ท้องทะเล

ด้วยการขยายตัวของการพัฒนานอกชายฝั่งไปสู่สภาพแวดล้อมที่เปราะบางมากขึ้นเรื่อย ๆ แม้แต่หุ่นยนต์ทางทะเลที่ล้ำสมัยก็ยังต้องดิ้นรนเพื่อรับมือกับความซับซ้อนของภารกิจของพวกเขา ขณะนี้มีการวิจัยจำนวนมากเกี่ยวกับการพัฒนาหุ่นยนต์ใต้ท้องทะเลที่เป็นอิสระด้วยความคิดริเริ่มต่างๆ เช่น เอ็กซ์ไพรซ์ เสนอเงินทุนให้กับแนวคิดที่น่าตื่นเต้นที่สุดบางส่วน

เครื่องจักรทางทะเล

เพื่อตอบสนองต่อความท้าทายเหล่านี้ วิศวกรได้มองไปที่ชีววิทยาเพื่อสร้างแรงบันดาลใจรูปแบบใหม่ของการขับเคลื่อนใต้น้ำของหุ่นยนต์ หลังจากวิวัฒนาการหลายล้านปี ตรรกะก็ดำเนินต่อไป สัตว์น้ำควรเสนอแบบจำลองเพื่อช่วยแก้ไขจุดอ่อนของหุ่นยนต์ใต้น้ำในปัจจุบัน

โหมดว่ายน้ำของปลาตามการกระพือของครีบต่าง ๆ ได้กลายเป็นแรงบันดาลใจหลักสำหรับสิ่งเหล่านี้ ทดลองยานใต้น้ำใหม่. แต่โหมดการว่ายน้ำแบบพัลส์เจ็ตที่แมงกะพรุนชื่นชอบนั้นได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางว่าเป็นกลไกขับเคลื่อนใต้น้ำที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในโลก โดยนำเสนอโซลูชันทางเทคโนโลยีที่น่าสนใจยิ่งขึ้น ซึ่งนักวิทยาการหุ่นยนต์จะเลียนแบบได้ง่ายกว่ามาก

การฉีดพัลส์ขึ้นอยู่กับการขยายตัวและการหดตัวของวัฏจักรของโพรงกลวงของร่างกายของชิ้นงานทดสอบ ระบบนี้ขับเคลื่อนการกลืนกินและการขับน้ำออก ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะให้รูปแบบการขับเคลื่อนของแมงกะพรุน

แม้จะมีความเรียบง่าย แต่กลยุทธ์การว่ายน้ำนี้สามารถส่งผลให้มีความคล่องตัวอย่างไม่น่าเชื่อและประหยัดพลังงานได้สูง ปลาหมึกที่เร็วที่สุดสามารถเดินทางได้ถึง 8 เมตรต่อวินาที โดยใช้ระบบพัลส์เจ็ทในขณะที่แมงกะพรุน ออเรเลีย ออริต้า (เรียกอีกอย่างว่าแมงกะพรุนพระจันทร์) เป็นที่รู้กันว่า นักว่ายน้ำที่เก่งที่สุดในโลก.

ด้วยการคัดลอกสิ่งมีชีวิตเหล่านี้เมื่อเราสร้างหุ่นยนต์ใต้น้ำ เราสามารถออกแบบยานพาหนะใต้น้ำใหม่ที่สามารถรวมความคล่องตัวสูงเข้ากับประสิทธิภาพที่ไม่มีใครเทียบได้ ในของเรา งานวิจัยล่าสุด, เราได้พัฒนาหุ่นยนต์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพตัวใหม่ที่สามารถจับคู่กับประสิทธิภาพการขับเคลื่อนของ ออเรเลีย ออริต้า. ในการทำเช่นนี้ เราได้เลียนแบบหลักการสำคัญที่ทำให้แมงกะพรุนมีประสิทธิภาพในการขับดันสูง: การสั่นพ้อง

Aurelia aurita หรือแมงกะพรุนพระจันทร์ถือเป็นนักว่ายน้ำที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในโลก ริชาร์ด เอ. แมคมิลลิน/Shutterstock

หุ่นยนต์เรโซแนนซ์

การสั่นพ้องเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่พบได้ทั่วไปในกิจกรรมประจำวันหลายอย่าง เช่น การเดิน การเล่นชิงช้า และ แม้แต่ร้องเพลง. ถ้าเราดูลูกตุ้มที่แกว่งไปมา เช่น เรารู้จากประสบการณ์ว่ามันจะแกว่งไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะหยุดนิ่ง โดยแขวนในแนวตั้งตามที่กำหนดโดยแรงโน้มถ่วง ความถี่ที่ลูกตุ้มแกว่งเรียกว่า "ความถี่ธรรมชาติ"

จากประสบการณ์ เราทราบด้วยว่าถ้าเราต้องการให้ลูกตุ้มแกว่งอยู่ วิธีที่ง่ายที่สุดในการทำเช่นนี้คือการสะกิดให้เป็นประโยชน์ทุกครั้งที่ไปถึงจุดสูงสุดของการแกว่ง เช่นเดียวกับที่เราทำเมื่อเราผลักเด็กให้สูงขึ้น บนชิงช้า เมื่อเราทำเช่นนี้ เราจะปล่อยให้ลูกตุ้มหรือวงสวิง “สะท้อน”

ดังนั้น การสั่นพ้องจะเกิดขึ้นเมื่อแรงภายนอกกระทบระบบที่ความถี่ธรรมชาติ ทำให้ระบบเกิดการสั่นของแอมพลิจูดที่ใหญ่ขึ้นโดยใช้เศษเสี้ยวของแรงที่ต้องการ นั่นคือสิ่งที่ทำให้การทำงานด้วยเสียงสะท้อนมีประสิทธิภาพมาก เราใช้หลักการเดียวกันนี้ในการขับเคลื่อนหุ่นยนต์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากแมงกะพรุน

เราตั้งสมมติฐานว่าโดยการออกแบบหุ่นยนต์แมงกะพรุนที่มีระบบขับเคลื่อนแบบยืดหยุ่น เราสามารถใช้ประโยชน์จากความถี่ตามธรรมชาติของยางยืดนั้นเพื่อขับเคลื่อนกลไกให้เกิดเสียงสะท้อน ในการสั่นพ้อง หุ่นยนต์ของเราจะปล่อยพัลซิ่งเจ็ตอันทรงพลังด้วยต้นทุนพลังงานเพียงเล็กน้อย

หุ่นยนต์ที่เราพัฒนามีห้องด้านในที่ยืดหยุ่นได้ ซึ่งขยายและยุบตัวภายใต้อิทธิพลของกลไกคล้ายร่ม เมื่อทดสอบในถังเก็บน้ำ พบว่าหุ่นยนต์เพิ่มความเร็วในการว่ายเมื่อความเร็วที่ชีพจรเข้าใกล้ความถี่ธรรมชาติของห้องยืดหยุ่นของแมงกะพรุนหุ่นยนต์ เป็นการพิสูจน์ว่าแมงกะพรุนหุ่นยนต์ของเรามีเสียงสะท้อน

ประสิทธิภาพของระบบที่ขับเคลื่อนตัวเอง ไม่ว่าจะเป็นกลไกหรือชีวภาพ ขึ้นอยู่กับสมการที่รวมกำลังที่ดูดซับ ความเร็วของระบบ และมวลของระบบ เมื่อนำไปใช้กับหุ่นยนต์ของเรา สมการนั้นทำให้แมงกะพรุนหุ่นยนต์ของเราเทียบเท่ากับ ออเรเลีย ออริต้า แมงกระพรุน.

นี่คือผลลัพธ์ที่โดดเด่นด้วยผลกระทบสองเท่า ในอีกด้านหนึ่ง มันแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าระบบกลไกสามารถบรรลุประสิทธิภาพการขับเคลื่อนของนักว่ายน้ำที่ดีที่สุดในธรรมชาติ ในทางกลับกัน หุ่นยนต์ของเราได้อธิบายการว่ายน้ำที่โดดเด่นของสิ่งมีชีวิตทางชีววิทยา ซึ่งอาจช่วยให้นักชีววิทยากลับมาศึกษาแมงกะพรุนและปลาหมึกในมุมมองใหม่ทั้งหมด

หุ่นยนต์แมงกะพรุนของเราขับเคลื่อนโดยระบบที่ได้รับแรงบันดาลใจจากนักว่ายน้ำในธรรมชาติที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ให้ต้นแบบของหุ่นยนต์ใต้น้ำแบบไดนามิกและมีประสิทธิภาพ ซึ่งวันหนึ่งอุตสาหกรรมฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งอาจใช้เพื่อรักษาส่วนต่างๆ ของโครงสร้างพื้นฐานที่อยู่ใต้คลื่น

เกี่ยวกับผู้เขียน

Francesco Giorgio-Serchi นักวิชาการด้านหุ่นยนต์และระบบปกครองตนเองของนายกรัฐมนตรี มหาวิทยาลัยเอดินบะระ

บทความนี้ได้รับการปรับปรุงเมื่อวันที่ 24 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2021 เพื่อให้เครดิตทีมจากมหาวิทยาลัยเซาแทมป์ตันที่ทำงานวิจัยนี้ด้วย

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

หนังสือที่เกี่ยวข้อง

การเบิกถอน: แผนที่ครอบคลุมมากที่สุดที่เคยเสนอเพื่อย้อนกลับภาวะโลกร้อน

โดย Paul Hawken และ Tom Steyer
เมื่อเผชิญกับความกลัวและความไม่แยแสอย่างกว้างขวางกลุ่มนักวิจัยผู้เชี่ยวชาญและนักวิทยาศาสตร์ระหว่างประเทศได้มารวมตัวกันเพื่อเสนอชุดโซลูชั่นที่สมจริงและเป็นตัวหนาสำหรับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ หนึ่งร้อยเทคนิคและวิธีปฏิบัติมีอธิบายไว้ที่นี่ - บางคนรู้จักกันดี บางอย่างที่คุณอาจไม่เคยได้ยิน พวกเขามีตั้งแต่พลังงานสะอาดไปจนถึงการให้ความรู้แก่เด็กผู้หญิงในประเทศที่มีรายได้ต่ำถึงแนวทางการใช้ที่ดินที่ดึงคาร์บอนออกจากอากาศ การแก้ปัญหาที่มีอยู่เป็นไปได้ทางเศรษฐกิจและชุมชนทั่วโลกกำลังออกกฎหมายเหล่านี้ด้วยทักษะและความมุ่งมั่น วางจำหน่ายใน Amazon

การออกแบบโซลูชั่นภูมิอากาศ: คู่มือนโยบายสำหรับพลังงานคาร์บอนต่ำ

โดย Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
จากผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่เกิดขึ้นกับเราแล้วความจำเป็นในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกทั่วโลกจึงเป็นเรื่องเร่งด่วน เป็นความท้าทายที่น่ากลัว แต่เทคโนโลยีและกลยุทธ์ที่จะตอบสนองมันมีอยู่ในปัจจุบัน นโยบายพลังงานชุดเล็ก ๆ ซึ่งได้รับการออกแบบและดำเนินการอย่างดีสามารถนำเราไปสู่อนาคตคาร์บอนต่ำได้ ระบบพลังงานมีขนาดใหญ่และซับซ้อนดังนั้นนโยบายพลังงานต้องเน้นและคุ้มค่า วิธีการขนาดเดียวที่เหมาะกับทุกคนจะไม่ทำให้งานสำเร็จลุล่วง ผู้กำหนดนโยบายต้องการทรัพยากรที่ชัดเจนและครอบคลุมซึ่งสรุปนโยบายด้านพลังงานที่จะมีผลกระทบมากที่สุดต่อสภาพภูมิอากาศในอนาคตของเราและอธิบายวิธีการออกแบบนโยบายเหล่านี้ให้ดี วางจำหน่ายใน Amazon

นี้ทุกอย่างเปลี่ยนแปลง: ทุนนิยมกับสภาพภูมิอากาศ

โดย Naomi Klein
In นี้ทุกอย่างเปลี่ยนแปลง นาโอมิไคลน์ให้เหตุผลว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศไม่ได้เป็นเพียงปัญหาอีกอย่างที่ต้องยื่นระหว่างภาษีและการดูแลสุขภาพ มันเป็นสัญญาณเตือนที่เรียกร้องให้เราแก้ไขระบบเศรษฐกิจที่ทำให้เราล้มเหลวในหลาย ๆ ด้าน ไคลน์อย่างพิถีพิถันสร้างกรณีสำหรับวิธีการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกของเราอย่างหนาแน่นเป็นโอกาสที่ดีที่สุดของเราในการลดความไม่เท่าเทียมกันที่อ้าปากค้างพร้อมจินตนาการจินตนาการประชาธิปไตยที่แตกสลายของเราและสร้างเศรษฐกิจท้องถิ่นที่น่าเกรงขามของเรา เธอแสดงให้เห็นถึงความสิ้นคิดในเชิงอุดมการณ์ของผู้ปฏิเสธการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศความหลงผิดของศาสนพยากรณ์ที่จะเป็น geoengineers และความพ่ายแพ้อันน่าเศร้าของการริเริ่มสีเขียวที่สำคัญมากเกินไป และเธอแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าทำไมตลาดไม่ได้ - และไม่สามารถ - แก้ไขวิกฤติสภาพภูมิอากาศได้ แต่จะทำให้สิ่งต่าง ๆ แย่ลงด้วยวิธีการสกัดที่รุนแรงและเป็นอันตรายต่อระบบนิเวศมากขึ้นพร้อมกับระบบทุนนิยมจากภัยพิบัติอาละวาด วางจำหน่ายใน Amazon

จากสำนักพิมพ์:
การซื้อใน Amazon ไปเพื่อชดใช้ค่าใช้จ่ายในการนำคุณ InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, และ ClimateImpactNews.com ไม่มีค่าใช้จ่ายและไม่มีผู้โฆษณาที่ติดตามพฤติกรรมการท่องเว็บของคุณ แม้ว่าคุณจะคลิกที่ลิงค์ แต่อย่าซื้อผลิตภัณฑ์ที่เลือกเหล่านี้ แต่อย่างอื่นที่คุณซื้อในการเข้าชมครั้งเดียวกันบน Amazon จะจ่ายค่าคอมมิชชั่นให้เราเล็กน้อย ไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมสำหรับคุณดังนั้นโปรดช่วยสนับสนุนด้วย นอกจากนี้คุณยังสามารถ ใช้ลิงค์นี้ ใช้กับ Amazon ได้ตลอดเวลาเพื่อให้คุณสามารถช่วยสนับสนุนความพยายามของเรา