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機器人|在水下環境中，人類與機器人的交互，是設計的一個約束

機器人重器

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與運動相關的兩個主要挑戰是創建一個液壓推進系統 ， 該系統可以承載無繩水下勘探所需的所有關鍵部件 ， 以及具有適當浮力和重量分布的低阻力設計可以在壓力下在合適的深度范圍內保持結構完整性 。 為了克服這些挑戰并實現仿生推進 ， 必須設計一個定制的低壓大流量泵和一個適當尺寸的軟流體致動器 。 可調節的浮力裝置、充油的電子室、定制的密封件和填充硬質泡沫的隔間都必須適應有限的可用體積 。

在具有挑戰性的水下環境中人類與機器人的交互也是一個設計約束 。 科學家創建了一個水下通信模塊 ， 允許對機器人進行實時控制 ， 并在堅固、緊湊和低功耗的封裝中提供直觀的界面 。 自然系統通常由于其柔軟和順從的特性而超過剛性機器人系統的性能 ， 例如獵豹無與倫比的速度和敏捷性或死魚逆流而上的能力 。 機器魚的開創性工作是渦流控制無人水下航行器 ， 這是一個使用驅動連桿組件進行魚狀游泳的系統 。

金槍魚鰭的液壓控制啟發了開發具有液壓驅動的軟機器魚 ， 并且對軟機器人系統的一些評論強調了機器人系統的可變形體的潛在優勢 。 已經提出了幾種使用仿生運動機制的水下航行器 。 已經朝著模仿魚、蝠鲼、七鰓鰻和章魚的軟機器人邁出了第一步 。 已經提出了幾種簡單的魚原型 ， 用于研究機器魚與小水箱中真實魚的相互作用 。 所提出的系統都沒有在幾米深的真實環境中展示自主的、不受束縛的仿生水下操作 。

此外 ， 這些系統都沒有在其自然棲息地觀察到水生生物或與水生生物相互作用 。 已經為流體彈性體致動器提出了各種設計和制造技術 。 軟光刻、形狀沉積制造、螺紋增強氣動室和可伸縮銷鑄造是可用于實現軟流體致動器的一些初始方法 。 這些方法都不允許在不削弱接縫和集成功能結構的情況下重復制造軟流體致動器 。 軟執行器的三維打印和智能阻尼材料的創建表明 ， 對各種材料的細粒度控制允許自動制造具有嵌入式液體作為功能驅動或被動阻尼通道的異質結構 。

盡管三維打印在異構致動器設計中打開了以前未知的尺寸 ， 但可用的材料不可變形且不夠堅固 ， 無法承受強烈的循環彎曲 。 科學家使用失蠟制造技術使用整體鑄造 ， 這是一種可靠且易于重現的方法來制造具有復雜內腔且沒有可能損害結構完整性的接縫的軟執行器 。 氣動能源通常用于驅動陸地軟機器人 ， 但外部氣動泵限制了系統的移動性 ， 限制了自主性和范圍 。

使用壓縮空氣筒作為機載壓力源的系統只能運行大約幾分鐘 ， 因為壓縮空氣的能量密度低 ， 并且在腔體充氣后回收或排放空氣的挑戰 。 不斷釋放的氣體會導致機器魚的整體浮力發生不可忽視的變化 ， 從而導致深度控制不可行 。 此外 ， 固定體積的氣體限制了部署時間 。 相比之下 ， 在索菲中執行的將流體從一個腔室交替輸送到另一個腔室不需要額外的存儲單元 ， 并且不需要排出流體來給執行器放氣 。

使用水代替空氣作為傳動液也可以簡化水下部署 。 水下通信是自主水下航行器的重要組成部分 。 盡管射頻通信在中國無處不在在陸地應用中 ， 這些信號在鹽水中迅速衰減 。 光通信在水下也具有挑戰性 ， 因為它們會受到環境光的散射和噪聲的影響 。 因此 ， 科學家使用了已廣泛用于水下應用的聲學通信 。 盡管伍茲霍爾海洋研究所調制解調器可以克服多徑效應和多普勒頻移等挑戰 ， 但它們的尺寸和功耗對于魚大小的機器人來說太大了 。

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