Океан — место, которое не только богато уникальной морской жизнью. Обширные его участки также изобилуют элементами, такими как никель, медь, марганец, серебро, кобальт, цинк, которые необходимы для производства смартфонов, электромобилей и деталей солнечных батарей. Глубоководная добыча — это быстрорастущая область промышленной добычи полезных ископаемых со дна Мирового океана. Это включает в себя извлечение этих самых полезных ископаемых и отложений со дна океана, обнаруженных на глубине более 200 метров. Большая часть усилий по морской добыче, на 2021 год, ограничивается только мелководными прибрежными водами. Месторождения разрабатываются при помощи гидравлических насосов и ковшовых систем, которые выносят руду на сушу для дальнейшей обработки.

Проблема в том, что учёные и защитники окружающей среды выступают решительно против инвазивных методов, предлагаемых добывающими компаниями, поскольку они могут нанести непоправимый ущерб хрупким экосистемам. В конечном счете, способ, которым компаниям будет разрешено разрабатывать морское дно, зависит от Международного органа по морскому дну (International Seabed Authority, ISA). В 2020 году ISA ввёл в действие ряд экологических стандартов, что может привести к увеличению добычи полезных ископаемых на больших участках мирового дна.

Тем временем, учёные разрабатывают автономных рыб-роботов, которые смогут помочь в наблюдении и осваивании океана.


Прототип робота-краба SILVER2

Плавники vs гребные винты

Ни один из известных морских существ не обладает гребными винтами. Возможно, это потому, что животным их слишком сложно развить из существующих частей тела. Или, возможно, это потому, что они не очень эффективны в качестве движителя. На плавучих средствах, чем больше гребной винт, тем сложнее его прикрепить к корпусу и тем больше он рискует увеличить осадку судна и, таким образом, зацепиться за морское дно. Поэтому даже гребные винты самых больших кораблей имеют диаметр не больше десяти метров.


Самый большой на данный момент гребной винт у контейнеровоза «Emma Maersk»

Плавники и ласты не страдают от таких геометрических ограничений. Они могут быть достаточно большими, в отличие от винтов, и необязательно такими жесткими. Ведь жесткий плавник — это уже практически весло. Поэтому их нелегко повредить при контакте с морским дном или другими объектами. И таким образом, именно плавники и ласты стали естественной силовой установкой для передвижения в воде у морских обитателей: от рыб и ихтиозавров до дельфинов и китов, от плезиозавров и черепах до тюленей и пингвинов.

В свете этого эволюционного преимущества плавников, гребные винты кораблей выглядят как технология, созревшая для небольшой модификации биомиметики. Бенджамин Филардо, морской биолог и конструктор, и его компания Pliant Energy Systems разработали Velox, прототип, внешне напоминающий каракатицу, и приводимый в движение гибкими плавниками. Велокс может передвигаться на поверхности воды, под водой, а также по грязи и льду. Если инженерные решения по этому роботу сработают, гребные винты корабля могут однажды стать такими же старомодными, как паруса.


По словам Филардо, Velox производит в три раза больше тяги на единицу затраченной энергии. Продемонстрировав свое устройство американскому Управлению военно-морской разведки, он вызвал у них интерес. В результате появился следующий прототип, c-Ray, который легче и быстрее. В отличие от Velox, который управляется по кабелю, c-Ray автономный. Конечная цель — разработать группу подобных роботов для обнаружения и удаления мин, разведки и противолодочного патрулирования. Однако волнообразный движитель имеет ещё одно важное преимущество. Подводные лодки часто обнаруживаются по производимому ими шуму, большая часть которого исходит от гребного винта и вала, приводящего его в движение. Волнообразный движитель, перемещающий больше воды на более низкой скорости, должен быть тише любого гребного винта. Также такой движитель не производит шум, называемый кавитацией, вызванный кратковременными пузырьками газа, которые образуются в ответ на давление лопастей гребного винта.


Плавники, как у Velox, могут оказаться технологией, которая может быть применена для приведения в движение полноразмерных подводных лодок. Как отмечает Филардо, даже у самых крупных морских животных, больших китов, есть плавники, хоть и расположены иначе, чем у Велокса. Например, синий кит, может развивать скорость более 20 узлов, и может потягаться с ракетными подводными крейсерами стратегического назначения.


Даже если они не найдут применение в военно-морских операциях, Велоксы могут быть задействованы для выполнения различных задач: добыча моллюсков и ракообразных без разрушительного траления морского дна; посадка морских водорослей в больших масштабах; изучения фауны морских глубин. Велоксы уменьшат риск причинения вреда плавающим млекопитающим и рыбам, например, ламантинам, которых иногда смертельно ранят гребные винты кораблей.

Требуется гораздо больше исследований влияния таких машин на морское дно, но в любом случае автономный подводный робот от Pliant Energy System является новым впечатляющим примером потенциальной «мягкой» робототехники, помогающей людям добраться до уголков с суровыми условиями при минимальном воздействии на окружающую среду.


Иллюстрация роботов C-Ray, собирающих глубоководные полиметаллические конкреции

— Вы продаете рыбов?
— Нет, просто имитируем.

В природе часто встречаются самоорганизующиеся коллективы, где большое количество простых особей используют локальные взаимодействия для создания впечатляющего глобального поведения, при котором система в целом больше, чем сумма её частей. Хорошо известные примеры включают колонии социальных насекомых, стаи птиц и косяки рыб. Особенно впечатляют косяки рыб: они мигрируют на большие расстояния, скапливаются на мелководьях в коралловых рифах, эффективно ищут ресурсы и даже образуют динамические формы, такие как «вспышки» или шары-приманки.

Огромные косяки рыб являются одними из самых потрясающих зрелищ дикой природы: тысячи и тысячи рыб синхронизируют своё поведение, чтобы найти пищу, мигрировать и спастись от хищников. В косяке нет лидера: каждая отдельная рыба принимает решения на основе того, что делают её соседи, посредством естественного процесса, называемого неявной координацией. Команда исследователей из Гарвардского университета имитировала эту модель поведения с помощью роботов, получивших название Blueswarm, которые синхронизируют своё движение без внешнего контроля.


До этого математики и инженеры стремились понять влияние локальных взаимодействий на глобальное поведение, чтобы исследовать естественный коллективный разум и создать аналогичные коллективы искусственных роботов. Недавние достижения продемонстрировали успешные реализации самоорганизующихся роботов размером до 1000 единиц, хотя и ограниченными двумерными локальными взаимодействиями. Например, проект SWARM-BOTS продемонстрировал коллективный транспорт и формирование цепей, а проект Kilobot продемонстрировал самосборку крупномасштабной формы. В трёхмерной воздушной среде большие стаи дронов демонстрируют сложные маневры, хотя в основном полагаются на централизованные базовые станции или GPS, а не на локальные и самоорганизованные взаимодействия. Например, Intel Shooting Stars (использованный на Зимних Олимпийских играх 2018 года) и Crazyswarm централизованно управляются одним компьютером и сильно зависят от GPS и motion capture, тогда как VIO-Swarm использует местную визуальную инерциальную одометрию (visual inertial odometry, VIO) для определения положения. Другие воздушные рои демонстрируют децентрализованную самоорганизацию, но полагаются на обмен местоположениями GPS между роботами или на сигнальный домашний маяк для определения относительного положения. Полностью децентрализованная координация в 3D была достигнута с помощью Swarmanoid, разнородного роя, состоящего из взаимодействующих колесных, карабкающихся и летающих роботов.


SWARM-BOTS

По сравнению с наземными коллективами, трёхмерные подводные робототехнические системы ещё не смогли достичь аналогичных уровней самоорганизации. Несколько предыдущих проектов предусматривали создание коллективов роботов для мониторинга окружающей среды на участках с высокой экологической чувствительностью (например, коралловых рифов) до инспекций подводной инфраструктуры и поисково-спасательных операций. Кроме того, такие коллективы могут предоставить данные для понимания того, как поведение косяка возникает из-за решений отдельных рыб. Однако водная среда создает серьёзные проблемы для передвижения и ограничивает взаимодействие; традиционные методы наземной связи, такие как беспроводное радио, плохо работают под водой, а GPS и Wi-Fi недоступны. В результате большинство подводных роев координируются только на поверхности или вообще не имеют координации, как следствие, они не могут достичь сложного коллективного поведения, которое демонстрируют косяки рыб.


Для решения этой проблемы исследователи создали систему координации на основе зрения, и посредством синих светодиодов. Каждая отдельная робот-рыба, называемая Bluebot, оснащена двумя камерами и тремя светодиодными лампами. Встроенная камера с рыбьим объективом, обнаруживает светодиоды соседних Bluebots и использует специальный алгоритм для определения их местоположения и движения. Исследователи показали, что Blueswarm способен демонстрировать сложное синхронизированное поведение, такое как агрегация, дисперсия и формирование круга.



Исследователи говорят, что идеи этого проекта, помогут им разработать миниатюрные подводные рои, способные выполнять экологический мониторинг и даже поисковые миссии в хрупких средах, и для защиты окружающей среды. Исследователи также смоделировали простую поисковую миссию. Используя алгоритм рассеивания, Bluebots рассредоточиваются по резервуару, пока один из них не приблизится достаточно близко к объекту, испускающий сигнальный красный свет. Как только робот обнаруживает свет, его светодиоды начинают мигать, что запускает алгоритм агрегации у остальных роботов роя. Затем все Bluebots объединяются вокруг источника сигнала.


Bluebots напечатаны на 3D-принтере и имеют длину в 13 см. Они имеют независимо управляемые плавники, которые приводятся в движение электромагнитным приводом, что позволяет выполнять маневры, такие как поворот и остановка на месте, а также быстрое ныряние и всплытие. Также у них есть встроенные светодиоды синего света и пары камер (вместо глаз). Каждые полсекунды алгоритм машинного зрения определяет, сколько Bluebots в поле зрения, и определяет их относительные расстояния и угловые положения.

Роботизированные рыбы это новый инженерный шаг на пути к большей автономности роботов. Они могут дать толчок, необходимый для новых подводных исследований. Робот-рыба может плавать рядом с настоящей рыбой, и с ним, человек может по-новому взглянуть на жизнь под водой и приблизиться к морской жизни. В будущем, усилия этих разработок действительно могут привести к чему-то, выходящему за рамки нашего нынешнего воображения.