Робот-рыба растёт вместе с задачей: ScaFi сохраняет плавание при масштабировании почти в пять раз

Проект получил название ScaFi (Scalable Fish). В отличие от большинства биомиметических подводных роботов, которые проектируются под конкретные габариты и условия эксплуатации, ScaFi рассчитан на масштабирование без полной переработки приводного механизма.

Авторы исследования, опубликованного в журнале npj Robotics, ориентировались на рыб вроде трески и макрели. Эти виды используют режим плавания, при котором основная часть тела остаётся относительно жёсткой, а изгиб концентрируется ближе к хвосту.

Один привод — разные размеры

Конструкция ScaFi включает жёсткую переднюю часть и гибкий хвост из стекловолоконных стержней. Один электродвигатель приводит в движение два троса, которые перекрещиваются в хвостовой части и формируют характерный S-образный изгиб.

При изменении размеров робота исследователям не пришлось менять саму кинематическую схему. Основным масштабируемым параметром стал диаметр стержней хвоста: при увеличении робота они пропорционально утолщаются, чтобы сохранить требуемые характеристики изгиба.

Это позволяет использовать одну архитектуру для роботов разных размеров, не проектируя приводную систему заново.

Для сравнения возможностей конструкции команда изготовила три прототипа — длиной около 0,6, 1,1 и 2,9 м. Самый маленький робот испытывали в неглубоких ручьях глубиной 15–30 см, средний — в швейцарском ручье, а крупнейший — на Женевском озере.

Плавание масштабируется лучше, чем энергия

Гидродинамические испытания показали, что при нормировании движения относительно размеров тела три робота демонстрировали близкую кинематику плавания. У самой маленькой версии формировались вихревые структуры, характерные для следа настоящих рыб.

Даже увеличение длины робота почти в пять раз не привело к принципиальному изменению режима движения. В одном из полевых испытаний робот продолжал плавать после потери GPS-сигнала, что особенно важно для работы в сложной подводной среде.

Но именно здесь обнаружилось ограничение подхода.

Энергоэффективность не масштабировалась так же хорошо, как движение. Два меньших прототипа показывали сопоставимые характеристики, тогда как крупнейший робот оказался заметно менее эффективным и потребовал более мощного двигателя. Авторы связывают это с возможным влиянием гидродинамического сопротивления и инерции, однако точная причина пока не установлена.

Иными словами, исследователи смогли масштабировать характер плавания, но пока не получили универсального закона масштабирования энергозатрат.

Маленький манёвреннее, большой устойчивее

Размер повлиял и на динамику роботов. Самая маленькая версия оказалась наиболее манёвренной, но медленнее восстанавливалась после отклонения от курса. Крупные роботы, напротив, хуже меняли направление, зато демонстрировали большую устойчивость.

Такой компромисс важен для практического применения. Роботу для мелкого ручья нужны компактность и способность быстро маневрировать между препятствиями. На открытой воде приоритеты меняются — здесь устойчивость и способность сохранять курс могут оказаться важнее резких изменений траектории.

Обычные винтовые подводные аппараты в подобных условиях имеют дополнительные ограничения: винты могут запутываться в растительности, поднимать донные отложения и создавать сильные возмущения воды. Биомиметическое движение потенциально позволяет снизить эти эффекты и приблизить поведение аппарата к движению живого организма.

От ручья до озера — одной конструкцией

Главное преимущество ScaFi заключается не в самой идее роботизированной рыбы — подобные системы разрабатываются уже много лет. Новизна проекта в попытке сделать масштабируемую платформу, на которой можно систематически изучать влияние размеров на гидродинамику и характеристики плавания.

Это открывает возможность использовать роботов разного масштаба для экологического мониторинга, наблюдения за водными экосистемами и исследования поведения подводных аппаратов в условиях, где винтовой движитель неудобен или нежелателен.

Однако эксперимент одновременно показал пределы такого подхода. Увеличить робота и сохранить его кинематику оказалось относительно просто. Сохранить при этом прежнюю энергетическую эффективность — гораздо сложнее.

Именно здесь возникает более широкий инженерный вопрос: если биомиметический робот хорошо масштабируется механически, но плохо масштабируется энергетически, где проходит практический предел его размеров?

Для ScaFi этот предел ещё предстоит определить. Но сама возможность построить семейство роботов от полуметрового класса до многометрового, сохраняя общую механику плавания, делает платформу интересной не только как роботизированную рыбу, но и как инструмент для изучения законов масштабирования в подводной робототехнике.