Projeto e controle de robô peixe pangasius biomimético macio usando efeito de raio fin e aprendizagem por reforço

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21861 (2022) Citar este artigo

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Os robôs leves fornecem um caminho para imitar com precisão criaturas biológicas e serem integrados ao seu ambiente com invasão ou interrupção mínima em seu ecossistema. Esses robôs feitos de materiais macios e deformáveis ​​possuem propriedades estruturais e comportamentos semelhantes aos corpos e órgãos de criaturas vivas. No entanto, eles são difíceis de desenvolver em termos de atuação e detecção integradas, modelagem precisa e controle preciso. Este artigo apresenta um peixe robótico híbrido macio-rígido inspirado no peixe Pangasius. O robô emprega uma estrutura flexível de cauda com raios de barbatana acionada por um servo motor, para atuar como o corpo mole do robô e fornecer o movimento ondulatório à barbatana caudal do peixe. Para enfrentar os desafios de modelagem e controle, a aprendizagem por reforço (RL) é proposta como uma estratégia de controle sem modelo para o peixe-robô nadar e atingir um objetivo específico. Ao treinar e investigar o RL através de experimentos em hardware real, ilustramos a capacidade dos peixes de aprender e realizar a tarefa exigida.

As profundezas subaquáticas provaram ser ambientes muito desafiadores para os humanos se aventurarem. Pesquisadores e engenheiros se esforçam para construir sistemas robóticos subaquáticos para realizar esta perigosa tarefa. Desde a investigação oceânica e a exploração da vida marinha até à execução de missões subaquáticas e recolha de amostras até à monitorização e manutenção de estruturas offshore e subaquáticas, muitas tarefas complexas precisam de ser realizadas em condições adversas e imprevisíveis. Essas tarefas aquáticas são comumente realizadas utilizando veículos subaquáticos, como veículos operados remotamente (ROVs) e veículos subaquáticos autônomos (AUVs). No entanto, os AUVs estão atualmente limitados a operações exploratórias de média profundidade, enquanto os ROVs são mais adequados para investigação de fundos marinhos profundos, mas são limitados pela exigência de amarração e pilotagem manual. Além disso, estes sistemas são constituídos principalmente por peças rígidas que limitam a sua manobrabilidade, a sua capacidade de interagir com segurança com o ambiente circundante e a sua adaptabilidade ao clima aquático imprevisível1. Aproveitar os novos avanços tecnológicos em biomimética e robótica suave fornece soluções promissoras para construir sistemas robóticos capazes de operar de forma mais natural e resistir a esses ambientes adversos2,3.

O estudo das várias criaturas biológicas marinhas oferece insights sobre as características que lhes permitem viver e povoar vastas regiões oceânicas. Inspirar-se nas morfologias dos organismos vivos subaquáticos, nas suas técnicas de natação e locomoção e nas suas capacidades sensoriais auxilia no desenvolvimento de sistemas robóticos bioinspirados semelhantes a estas criaturas, tornando estes robôs mais adequados para aplicações subaquáticas. O movimento de natação entre criaturas subaquáticas mostra uma variedade de técnicas de locomoção, guiadas pelas estruturas morfológicas e formas de tais criaturas4. A maioria das criaturas aquáticas possui corpos complacentes e dependem da deformação corporal para gerar o impulso necessário para a locomoção. A classificação mais comum do movimento de natação dos peixes foi adotada de acordo com a anatomia dos peixes e seus propulsores5. Ao mover o corpo e as nadadeiras com diferentes frequências ondulatórias ou oscilatórias, os peixes podem gerar o impulso necessário para movimentos para frente, giros e manobras de fuga. Embora esta classificação se preocupe principalmente com a natação de peixes e batóides, outras criaturas marinhas, como águas-vivas, tartarugas, equinodermos e crustáceos, usam diferentes tipos de locomoção, como propulsão a jato, natação induzida por arrasto e rastejamento. Além disso, vários estudos focaram nos comportamentos individuais e de grupo dos peixes e nas suas interações sociais com peixes-robôs biomiméticos6,7,8,9,10. Estas investigações fornecem informações sobre o uso de robôs semelhantes a peixes para interagir e estudar o comportamento dos peixes, e mecanismos responsáveis ​​​​por agregações de fenótipos mistos, bem como fornecer estímulos biohíbridos para análises sociais adicionais, como tratamento de ansiedade e transferência de informações.