Door slim gebruik te maken van resonantie, kan deze kleine, zachte, kwal-en-inkvisachtige onderwaterrobot zich heel efficiënt voortbewegen.

Kwallen, inktvissen en octopussen zijn misschien niet de snelste onderwaterdieren die er bestaan, ze trekken hun baantjes wel ranzendefficiënt. Het is dan ook geen wonder dat ingenieurs en robotici voor hun onderwatervoertuigen regelmatig bij de zwemmers afkijken. Zo maakte een team Engelse onderzoekers onlangs een zachte, kwalachtige robot, die met maar een piepklein beetje energie, aardige stukken kan afleggen. De truc, zo schrijven ze in vakblad Science Robotics, is slim gebruik te maken van resonantie: trillingen.

Lees ook:

• Inktvisrobot heeft zijn eigen krachtbron
• Kleine, zachte robot doet aan breakdancing

Robo-kwal

De onderzoekers spiekten voor het ontwerp van hun zachte robot onder meer bij “één van de efficiëntste zwemmers in de natuur”, de oorkwal (Aurelia aurita). In verhouding met andere dieren halen deze kwallen meer beweging uit de energie die ze erin stoppen.

Het robotje, dat nog geen naam gekregen heeft, bestaat uit acht flexibele ge-3D-printe ‘ribben’ omsloten door een rubberen membraan. Samen maken ze iets dat lijkt een mix van de ‘kop’ van een kwal en die van een inktvis. De kwalbot wordt aangedreven met behulp van een kleine piston die de ‘kop’ continu een tikje geeft. Het rubberen membraan, dat door die tik uitzet, springt dankzij een veer vanzelf weer terug. Door dit continu uitzetten en terugspringen, komen er kleine jets water vrij die het robotje voortstuwen.

Resonantie

Volgens de onderzoekers is het de eerste onderwaterbot die resonantie gebruikt om zich voort te bewegen. Resonantie, afgeleid van het Latijnse woord resonare voor ‘weerklinken’, is de versterking van een doorgegeven trilling. Dit fenomeen vindt alleen plaats als die doorgegeven trilling de natuurlijke frequentie (eigenfrequentie) van het voorwerp bereikt, waaraan die trilling wordt doorgegeven. De eigenfrequentie is specifiek voor elk voorwerp (of medium): een wijnglas zal van nature met een andere frequentie (uit)trillen dan bijvoorbeeld een koektrommel.

Je kunt het vergelijken met het duwen iemand op een schommel. Je versterkt de slingerbeweging (de trilling) als je steeds op het juiste moment een zet geeft. Als je tegen die natuurlijke beweging (vergelijkbaar met de eigenfrequentie) in gaat, door bijvoorbeeld te duwen als de schommel nog niet op het hoogste punt is, verzwak je de beweging en neemt de snelheid af.

Efficiëntie ten top

De robotkwal maakt van dit fenomeen slim gebruik door de piston op het juiste ritme, namelijk de natuurlijke frequentie van de onderdelen, te laten tikken. Zo kan de kleine bot per seconde zijn lichaamslengte afleggen, zo schrijven de onderzoekers, bijna net zo efficiënt als de oorkwal.

Leuk om te zien, is dat als dat tikken van die piston een andere, niet-optimale frequentie aanneemt – lager of hoger dan de eigenfrequentie van de onderdelen – de snelheid van het robotje drastisch afneemt. Zie het filmpje hieronder.

Aan de hand van de laatste tests stelt het team dat hun uitvinding tien- tot maar liefst vijftigmaal zo efficiënt zou als een doorsnee onderwatervoertuig dat met propellers wordt aangedreven. Samen met zijn zachte omhulsel maakt dit de robot volgens de onderzoekers een heel geschikte kandidaat om kwetsbare onderwaterecosysteempjes zoals koraalriffen te onderzoeken.

Bronnen: Science Robotics, University of Southhampton, Science Alert

Beeld: Bujard, Giorgio-Serchi en Weymouth, Science Robotics (2021)

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!