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Robot si basa su intuizioni in Atlantic Razor Clam Dynamics
La vongola atlantica utilizza pochissima energia per scavare nel suolo sottomarino ad alta velocità. Ora una visione dettagliata di come l'animale scava ha portato allo sviluppo di una vongola robotica in grado di eseguire lo stesso trucco.
Il dispositivo, noto come RoboClam, potrebbe essere utilizzato per scavare nel terreno per seppellire ancore o distruggere mine sottomarine, secondo il suo sviluppatore, Amos Winter, il professore di ingegneria meccanica Robert N. Noyce Career Development Assistant al MIT.
Una vongola (a sinistra) e il RoboClam. Foto di Donna Coveny.
Nonostante il suo guscio rigido, il cannolicchio atlantico (Ensis directus) può muoversi attraverso il suolo alla velocità di 1 centimetro al secondo. Inoltre, l'animale è in grado di scavare fino a 0,5 chilometri utilizzando solo la quantità di energia contenuta in una batteria AA. Il trucco della vongola è muovere i suoi gusci in modo tale da liquefare il terreno attorno al suo corpo, riducendo la resistenza che agisce su di esso, dice Winter. Ciò significa che richiede molta meno forza per tirare il suo guscio nel terreno rispetto a quando si muove attraverso il terreno statico.
Per sviluppare un robot in grado di eseguire lo stesso trucco, Winter e la sua co-sviluppatrice, Anette Hosoi, professoressa di ingegneria meccanica e matematica applicata al MIT, avevano bisogno di capire come il movimento della vongola fa liquefare il terreno, o trasformarsi in sabbie mobili, intorno il suo guscio. Ora, in un articolo da pubblicare sulla rivista Bioispirazione e Biomimetica , i ricercatori rivelano per la prima volta i meccanismi alla base di questo processo e descrivono come il loro robot è in grado di imitare questa azione.
Meccanica delle sabbie mobili
Quando il cannolicchio inizia a scavare, prima ritrae il suo guscio, rilasciando lo stress tra il suo corpo e il terreno circostante. Questo fa sì che il terreno inizi a collassare, creando una frana localizzata attorno all'animale. Mentre la vongola continua a contrarsi, riducendo il proprio volume, risucchia l'acqua in questa regione di terreno cedevole. Le particelle di acqua e sabbia si mescolano, creando un substrato fluidizzato: le sabbie mobili.
Ma il tempismo è cruciale. Se la vongola muovesse il suo guscio troppo lentamente, le particelle di sabbia collasserebbero attorno all'animale senza fluidificarsi, dice Winter. Tuttavia, se la vongola si muovesse troppo velocemente, non darebbe alle particelle di sabbia il tempo sufficiente per mescolarsi con l'acqua che scorre e rimarrebbero semplicemente ferme. I nostri dati hanno mostrato che c'è stata una transizione molto brusca dall'essere in grado di fluidificare il terreno al non muovere affatto le particelle del suolo, dice.
Per sviluppare un sistema di ancoraggio a bassa energia in grado di creare sabbie mobili attorno a sé in questo modo, i ricercatori hanno costruito un burattino meccanico a conchiglia, costituito da due metà che possono muoversi insieme e separarsi in modo simile a una fisarmonica. La vongola fantoccio è collegata a un'asta, che può aprire e chiudere il guscio e spingerlo su e giù, creando le stesse contrazioni che l'animale può ottenere.
Per rendere più facile testare il loro prototipo RoboClam in acqua salata, i ricercatori hanno utilizzato un sistema di aria compressa per alimentare l'espansione e la contrazione dei gusci. Il team di Winter sta ora sviluppando una versione elettronica, che lo renderà compatibile per l'uso con veicoli subacquei sviluppati dallo sponsor del team, Bluefin Robotics, uno spin-out del MIT con sede a Quincy, Mass.
Ancoraggio a risparmio energetico
Winter ha iniziato a sviluppare RoboClam per la sua ricerca di dottorato nel 2006, insieme a Hosoi. I ricercatori volevano trovare un modo per ancorare veicoli sottomarini autonomi a un fondale marino o fluviale senza consumare una grande quantità di energia. I veicoli robotici hanno una carica della batteria limitata, quindi qualsiasi energia consumata dal sistema di ancoraggio ridurrebbe il tempo di funzionamento del dispositivo.
Potresti far funzionare questi veicoli in una corrente e aver bisogno che siano fermi, ad esempio per monitorare una situazione biologica o per scopi militari, dice Winter. Non vorrai che il veicolo giri costantemente le sue eliche per rimanere in un posto perché questo spreca solo energia, quindi sarebbe bello se potessi semplicemente schierare un'ancora e mantenere la tua posizione senza spendere energia.
Oltre ad ancorare veicoli sottomarini e far esplodere mine, il RoboClam potrebbe essere utilizzato anche per posare cavi sottomarini, afferma Winter. Le aziende che posano cavi transatlantici usano tradizionalmente una nave per trascinare una slitta lungo il fondo dell'oceano per scavare un canale, posare il cavo e coprirlo. Tuttavia, quando la profondità dell'acqua dell'oceano scende a 10 metri o meno, diventa troppo bassa perché le navi possano attraversarla. Ciò significa che i subacquei umani devono occuparsi della posa e dell'interramento dei cavi, il che richiede tempo e denaro. Avere un sistema che potrebbe semplicemente agganciarsi al cavo, farsi strada e scavare automaticamente nel terreno sarebbe fantastico, dice Winter.
Daniel Goldman, professore associato di fisica al Georgia Institute of Technology che non è stato coinvolto nella ricerca, afferma che il documento contiene una bella integrazione tra biologia e robotica. Usa le intuizioni della fisica del suolo per far progredire la nostra comprensione della biomeccanica alla base di un'impressionante impresa di locomozione dell'organismo: scavare verticalmente nel suolo, afferma Goldman.
Scoprendo un principio alla base di questa capacità, la fluidificazione localizzata, i ricercatori sono in grado di conferire a una vongola robotica scavatrice, RoboClam, abilità simili. E lo studio del robot fornisce una visione più approfondita dell'importante meccanica alla base della tana attraverso la fluidificazione localizzata, aggiunge.