Tuần tra ô nhiễm hồ bơi với cá rô bốt

Ảnh của Freddie Alequin-Ramos.

Đáng ngạc nhiên là cá robot sống động như thật, cá bơi trong một bể cá trong khuôn viên trường Đại học bang Michigan, vây đuôi của nó được uốn lại.

Bản demo này là một phần của một cuộc họp ba ngày tại Beacon, Quỹ khoa học quốc gia tài trợ nghĩ rằng, hồ dành riêng cho nghiên cứu tại các giao điểm của kỹ thuật, sinh học và khoa học máy.

Quét qua danh sách các phiên trong ngày, một tiêu đề đặc biệt thu hút sự chú ý của tôi: “Phát triển cá robot.” Tách cà phê trong tay, tôi chạy ngang qua phòng đến một phòng hội thảo vào buổi tối và đến giữa các ghế ngồi để tham dự.

Ở đó, các nhà nghiên cứu thảo luận về nỗ lực của họ để phát triển cá robot có thể di chuyển dưới nước và tuần tra về ô nhiễm trong các đại dương, hồ và sông. “Hành vi của cá trong nhiều cách mà xe dưới nước không thể bằng,” kỹ sư Xiaobo Tan trường đại học Michigan State University nói. Cá có thể bơi 1 cách đồng bộ, chúng có thể thay màu sắc và đổi hướng ngay lập tức như tên bắn.

Tan thuộc về một nhóm các nhà nghiên cứu robot ngày càng tăng tin rằng bằng cách lấy sự hiểu biết từ thiên nhiên, họ sẽ có thể xây dựng robot với khả năng rằng các robot hiện nay không có.

Robot lấy cảm hứng từ động vật không phải là mới. Con gián máy vi tính, rắn cơ khí, và thậm chí cả một robo-cheetah có thu thập thông tin, trườn, và chạy nhanh thông qua các phòng thí nghiệm kỹ thuật trong những năm gần đây.

Bây giờ, Tan và các nhà nghiên cứu đang hy vọng sẽ mang lại cho giám sát chất lượng nước lên một tầm cao mới bởi việc xây dựng các robot với tốc độ, sự nhanh nhẹn và phối hợp của cá.

Sau ngày đó, tôi đến thăm phòng thí nghiệm của Tan, một căn phòng đầy đủ các cuộc tập trận, bit, kẹp, kìm, và bể hồ cá trống trong khuôn viên trường Đại học bang Michigan.

Bàn rải rác với các thiết bị điện tử và các bộ phận cá nhựa trong các giai đoạn khác nhau của các bức tường theo hàng. Kế tôi ngồi là một nguyên mẫu 6-inch, một robot với những sọc màu xám và màu vàng theo mô hình sau một con cá gọi là cá rô vàng.

Cơ nhân tạo

Nhiều cá robot của Tan bơi trong nước thông qua đuôi linh hoạt. Ảnh chụp bởi Hiểu Ba Tan tại hội chợ triển lãm Khoa học và Kỹ thuật Hoa Kỳ ở Washington, DC năm nay.
Một số cá robot bơi của Tan bơi trong nước nhờ vây đuôi làm bằng polyme electroactive di chuyển điện. Không có động cơ, không có bánh răng. “Những vật liệu này thường được gọi là cơ nhân tạo bởi vì họ thay đổi hình dạng của họ đáp ứng với kích thích điện, giống như cơ bắp”, Tan nói.

Cơ bắp nhân tạo hoạt động theo cách khác: áp dụng một dòng điện, và nó di chuyển và uốn cong, uốn cong nó, và nó tạo ra một dòng điện. Điều này cho phép cá rô bốt ‘cảm giác chuyển động trong nước, giống như cá thật sự.

Nghiên cứu sinh Alex Esbrook có một cơ bắp nhân tạo dải hai-inch trên băng ghế dự bị trong phòng thí nghiệm. Một màng trao đổi ion mỏng kẹp giữa hai lớp bạch kim, có vẻ như một phần của băng bạc ticker.

Esbrook chèn một đầu của dải vào một đầu kẹp gắn liền với pin, và 1 đầu của dải bắt đầu uốn cong và thẳng như một ảo thuật bay lên.

“Tất nhiên sự chuyển động của vây cá thực tế phức tạp hơn nhiều “, Tan giải thích. Tuy nhiên, một số dải ràng buộc của cơ bắp nhân tạo ở dạng tấm, chúng có thể làm cho vây nhân tạo linh hoạt, và uốn cong theo những cách phức tạp, giống như thật.

Để thực hiện và kiểm tra các thiết kế cá rô bốt khác nhau, các nhà nghiên cứu tạo ra các mẫu cho các bộ phận cá khác nhau trong máy tính, và sau đó làm cho nhiều bản sao một cách nhanh chóng và rẻ bằng cách sử dụng một máy in ba chiều.

Một máy hình chữ nhật kích thước của một bảng lớn, máy in 3D hoạt động bằng cách đặt các lớp mỏng bằng nhựa trên đầu trang. Khi các nhà nghiên cứu cho chất dẻo khác nhau vào máy in theo các tỷ lệ khác nhau, họ có thể sản xuất đối tượng ba chiều trong một số điểm và mềm mại và linh hoạt.

Nghiên cứu sinh Sanaz Behbahani cho thấy các kết quả – trong lòng bàn tay của tôi, cô đặt một bản sao nhỏ của vây cá, kích thước của một móng tay.

“Chúng rất giống như một vây cá thực sự, chúng ta có thể in ra rất nhiều phiên bản khác nhau, cộng tác viên và nhà khoa học máy tính Phil McKinley nói với đám đông hội thảo trước đó. Mục tiêu của chúng tôi là để in cá có thể bơi và phi tiêu giống như cá thật sự”.
Bằng cách cung cấp năng lượng cá có vây, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ làm cho các chương trình nhỏ hơn, rẻ hơn và êm hơn họ có thể điều khiển xe với cánh quạt. “Xe dưới nước được thúc đẩy bởi động cơ thông thường quá nhỏ,” Tan nói.

Bài học bơi

Một trong các bước tiếp theo là thiết kế cá có thể bơi ngược dòng mạnh mẽ. Ảnh: Kurt Stepnitz, Michigan State University. 

Tan dẫn tôi xuống đại sảnh vào bể trong nhà lớn nơi robofish bơi thử nghiệm đầu tiên của họ.

Tan thử nghiệm cá đầu tiên của mình trong hồ bơi của trường đại học, cuối vào ban đêm sau khi học sinh đã trở lại ký túc xá của họ. Bây giờ họ có hồ bơi riêng của họ, một cái bể to lớn trong tầng hầm trường Đại học kỹ thuật Michigan.

Dài mười lăm dặm, bề rộng mười dặm và cao bốn dặm, nó có thể là một bể cá tại một quán bar nhà hàng. “Đó là 18 tấn nước”, McKinley nói.

Trong một góc phòng, tôi phát hiện ra một trong các nguyên mẫu cá đầu – một khối nhựa màu xanh lá cây với một cái đuôi cứng nhắc, nó có khả năng bơi thẳng và quay đầu đơn giản. Bây giờ với sự tài trợ từ Quỹ khoa học quốc gia, nhóm nghiên cứu của Tan đang làm việc để làm cho robofish tự trị có thể bơi trong các trường học và di chuyển xung quanh những trở ngại với tối thiểu, nếu có, sự can thiệp của con người.

“Bơi lội là một hành vi cơ bản, nhưng nếu chúng ta muốn chúng di chuyển và làm việc cùng nhau, chúng ta cần phải cho phép chúng hành xử theo những cách phức tạp hơn”, McKinley nói.

Để bắt chước các động tác phối hợp của cá, Nghiên cứu sinh Jianxun Tan Wang đã phát triển các mô hình toán học có thể được sử dụng để kiểm soát cá rô bốt hoạt động trong các nhóm. 

Robot cá được lập trình để cảm nhận hướng láng giềng của chúng đang di chuyển trong nước và ước tính khoảng cách cá lân cận cho phép chúng ở gần nhau nhưng không va vào nhau. 

Cá giao tiếp với nhau và với trạm thông qua bộ truyền không dây.
“Với xe điều khiển từ xa, bạn phải gửi lệnh liên tục: rẽ phải, rẽ trái, tốc độ, chậm lại”, Wang cho biết. Tuy nhiên, cách tiếp cận của chúng tôi là để cho cá điểm đến tiếp theo của chúng và để cho chúng tự định hướng.”

Tuần tra ô nhiễm

Thử nghiệm 1 cá rô bốt. hình ảnh của Xiaobo Tan.
Trong sự trỗi dậy của thảm họa tràn dầu vùng Vịnh năm 2010, Tan áp dụng cho tài trợ khẩn cấp từ Quỹ khoa học quốc gia để phát triển đội tàu cá robot có khả năng phát hiện dầu thô trong nước biển. Cá được trang bị cảm biến trên tàu sử dụng tia laser để phát hiện dầu.

Phối hợp với thủy sản sinh thái học Elena Litchman, nhóm nghiên cứu cũng đang phát triển cá robot có thể phát hiện những bông hoa có hại của tảo trong hồ – sự tích tụ của vi tảo có thể giết chết cá và các loài chim và làm cho người dân bệnh.

 
Một đội cá rô bốt có thể lan ra trên một cái ao, hồ, thu thập và gửi một dòng các dữ liệu liên tục về nhiệt độ nước, mức độ oxy hòa tan, và các biến môi trường khác. Đó là một độ phân giải không gian và thời gian mà thử nghiệm chất lượng nước truyền thống không thể phù hợp.

Bước tiếp theo là thiết kế cá có thể bơi dưới nước sâu và chống lại dòng nước mạnh. “Chúng tôi đã kiểm tra bề mặt cá bơi lội trong hồ, bây giờ chúng tôi đang làm việc về phát triển cá có thể lặn và đi lên”, Tan nói.

Các nhà nghiên cứu hy vọng trình diễn cá rô bốt của họ ở Gulf của Mexico vào mùa hè tới.
Với sự giúp đỡ từ cộng tác viên Jenny Boughman, người nghiên cứu hợp tác và hành vi xã hội ở cá gai, đầu tiên họ sẽ thiết lập các bể hồ cá hỗn hợp của cá sống và robot để xem cách chúng tương tác. “Chúng tôi đang lập kế hoạch để sử dụng cá robot đóng vai trò của kẻ thù” và hiểu rõ hơn về hành vi trốn thoát của cá thực sự, Tan giải thích.

Quay trở lại tại trụ sở Beacon, một nhóm sinh viên tốt nghiệp sẽ đặt một con cá thứ hai vào bể cá cảnh để hiển thị những gì nó có thể làm. Nó có một đơn vị GPS gắn trên đầu của nó, một la bàn 3D được nhúng vào trong bụng của nó, và một que dài ra một trong những học sinh nói với tôi đó là một bộ cảm biến oxy.