Прерывистое плавание повышает энергоэффективность рыбоподобных роботов

Международная группа исследователей из EPFL, Университета Дьюка и Лиссабонского университета представила в своей работе (Intermittent swimming promotes the energy efficiency of fish-like robot movements) биомиметического робота ZBot, вдохновленного личинкой данио-рерио. Увеличенный в двести раз, размером 80 сантиметров и весом 2,8 килограмма, робот повторяет форму тела, сегментированную структуру и распределение массы живой рыбы. Его гибкий хвост состоит из шести сегментов с сервоприводами, а в голове размещены контроллер, камеры и измерители мощности.

Ученых интересовало, можно ли перенести на роботов естественный механизм энергосбережения, который рыбы выработали в ходе эволюции. Многие водные организмы — от личинок рыб до китов — используют так называемое прерывистое плавание: короткие фазы активных движений хвостом чередуются с пассивным скольжением с выпрямленным телом. Такая тактика считается энергоэффективной, но до сих пор оставалось неясным, как именно нервная система управляет этим процессом и сохраняются ли преимущества в разных условиях среды.

Для ответа на эти вопросы команда построила нейрокомпьютерную модель, имитирующую нейронные цепи рыбы. За основу были взяты центральные генераторы паттернов, модуль запуска движений и вентральные спинальные проекционные нейроны. Модель позволила ZBot воспроизводить разные типы плавания — медленные прямолинейные перемещения, повороты и J-образные маневры. Кроме того, исследователи создали цифрового двойника simZFish в симуляции.

Измерения показали, что прерывистый режим действительно позволяет снизить затраты энергии по сравнению с непрерывной работой хвоста, однако выгода зависит от числа Рейнольдса — безразмерной величины, определяющей соотношение инерционных и вязких сил. В обычной воде, то есть в турбулентном режиме, экономия значительна. Но в вязких жидкостях, имитирующих среду обитания мелких организмов, преимущества уменьшаются: увеличение вязкости сокращает дистанцию, которую ZBot проходит за один цикл, до 1/30 от расстояния в чистой воде. При этом повороты остаются почти такими же эффективными — угол поворота снижается всего лишь с 60 до 45 градусов при переходе от воды к высоковязкой жидкости.

Понимание этих закономерностей поможет проектировать более легких и автономных роботов для работы в различных водных средах. Встроенные механизмы энергосбережения позволят сократить массу батарей и увеличить время миссий, а также пригодятся для разработки микро- и макророботов, имитирующих движения рыб. Работа демонстрирует, как биологические принципы можно адаптировать для инженерных решений, используя нейроморфные алгоритмы управления.