Gli studenti di ingegneria meccanica si sono sfidati a creare un pesce robotico che non solo nuota come un vero pesce, ma sembra anche la parte, dimostrando le possibilità inerenti alla robotica morbida.

Quando gli umani concepirono per la prima volta i robot, erano goffi, realizzati con lamiere di alluminio e acciaio che ne impedivano il movimento fluido. Anche da lontano, non c'era alcuna possibilità di scambiare un robot per un umano, o qualsiasi altro tipo di creatura vivente.

Utilizzando la modellazione CAD (computer-aided design), un team di studenti ingegneri, lavorando con la dottoressa Satyandra K. Gupta, Smith International Professor in Ingegneria Meccanica e presidente associato del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica, si è sforzato di far progredire le applicazioni della robotica creando un morbido pesce robotico che, da una distanza, verrebbe scambiato per uno vero.

Il pesce, chiamato SCI-FI BOT (Sarasa Comet Inspired Fish Robot), è stato modellato dopo il Sarasa Comet Goldfish. "È un pesce comunissimo, soprattutto in America. Sarà più facile studiare il pesce e i suoi movimenti, e renderlo il più realistico possibile, " disse Mishaal Parekh, un secondo anno di USC Viterbi.

Quella realtà è stata raggiunta passo dopo passo per meno di $ 200, grazie al duro lavoro di due gruppi di laureati e laureandi in ingegneria meccanica. Lanciato nell'estate del 2018 con un team iniziale di due studenti, Aniruddha Shembekar e Rohil Aggarwal, che hanno dato al pesce i suoi elementi rudimentali, il pesce ha acquisito il suo intuitivo, movimento realistico e guardare attraverso il lavoro di una seconda squadra, nel corso dell'ultimo semestre. La seconda squadra comprendeva Manish Shastrakar, Yilun Yu, Chien Tzai Chen, Mishaal Parekh, e Jonathan Wilson.

"Molti hanno tentato di creare pesci robotici prima, ma se guardi alle capacità di un vero pesce, le versioni robotiche non sono per niente capaci. L'obiettivo principale di questo progetto era integrare elementi come una fotocamera, pur assicurando che il pesce avesse una flessibilità, corpo esterno realistico e imitava il movimento effettivo di un pesce rosso cometa Sarasa, " disse Manish Shastrakar, uno studente del secondo anno di master e un team leader.

Aspetto esteriore

SCI-FI BOT non ha acquisito facilmente il suo bell'aspetto. Il processo è iniziato con la ricerca di materiali che emulassero le capacità della vera pelle di pesce. Il team ha contattato le stampanti 3D, però, non siamo riusciti a trovare una soluzione economicamente vantaggiosa nella stampa di skin in grado di integrare perfettamente colore e trama. Passando al piano B, il team ha utilizzato stampi che hanno riempito di silicone, che è flessibile ed estensibile, per creare il corpo esterno del pesce. In seguito hanno migliorato questa "pelle" con la vernice per replicare il colore e le squame previste in un Sarasa Comet Goldfish.

Movimento

Come si fa a far muovere un robot come un vero pesce? Studi la versione reale da ogni angolazione, in ambienti diversi, che è esattamente ciò che ha fatto questa squadra. Mentre i pesci impiegano diversi tipi di locomozione, il team di studenti ha scelto di concentrarsi sul sub-carangiforme. Questo significa, mentre la coda si muove, vedrai il movimento fino alla testa del pesce. Generalmente, questo indica che il corpo del pesce è più rigido, dando al pesce velocità mentre controlla le manovre, come giri, sono ridotti. Dal punto di vista progettuale, questo perfettamente allineato alle parti più rigide del corpo, che sono stati stampati in 3D. Significava anche che era necessario un numero inferiore di servomotori, motori accoppiati a sensori per consentire un controllo preciso del posizionamento, per imitare questo tipo di movimento nel modello.

Per perfezionare il movimento di SCI-FI BOT, il team ha misurato l'angolo delle sue parti del corpo rispetto al proprio asse longitudinale quando il pesce era in movimento. I servomotori sono stati posizionati in ciascuno di questi punti di rotazione.

In cerca di sfide

Con il desiderio di acquisire esperienza pratica nella robotica, un settore che offre una crescita continua ed entusiasmanti opportunità professionali, gli studenti hanno cercato Gupta, Direttore del Center for Advanced Manufacturing (CAM) (dove gli studenti hanno costruito il pesce), per un progetto che li coinvolgesse e li sfidasse.

"Fare un pesce non è un compito facile, perché devi essere specifico riguardo al movimento e alla forma e affrontare i vincoli di spazio, " ha detto Yulin Yu, uno studente del secondo anno di master. "Un pesce robotico, in particolare, offre l'opportunità di superare sfide che vanno dalla progettazione del software ai circuiti elettrici, dalla progettazione meccanica all'estetica. Tutto questo in più il pesce deve lavorare sott'acqua".

Il team di SCI-FI BOT ha raccolto molte di queste sfide, estendendo la durata della batteria dalle precedenti iterazioni del doppio (ora un'ora) e assicurandosi che la ricarica possa avvenire in modalità wireless. Il prossimo passo:lavorare sul controllo della profondità e dare autonomia al pesce, la capacità di passare dal punto A al punto B da solo.

Intanto, gli studenti hanno anche imparato preziose lezioni sul lavoro in trincea. "What I learned was to be a jack of all trades. From contacting vendors for the fish skin to creating the CAD model to editing the video of our work, " said Parekh.

Underwater Insights

Soft robots are a growing field, as they are viewed to be safer and easier to maneuver than hard robots. At the same time, soft robots have a closer likeness to human and animal bodies, allowing them to more easily blend in.

A robotic fish, in particolare, could be used to study marine life. Biologists, who have in the past been limited by tools that disturb marine life with their presence, will be better able to see, up close, how fish behave and communicate with each other using robots like SCI-FI BOT.

"It's unobtrusive, so it's easier to get a natural look at what is going on in the ocean, " said Parekh.

Beyond that, what we learn could help us in improving how we ourselves navigate bodies of water.

"From a research perspective, the more closely you can replicate the fish, the better we can learn about how fish swim—gaining understanding of their efficiencies. How do they conserve energy or deal with the current? We can use this to help us design underwater vehicles, " said Gupta.

For now, SCI-FI BOT continues practicing laps at the surface.