ZodiAq: An Isotropic Flagella-Inspired Soft Underwater Drone for Safe Marine Exploration

要約

流体力学的効果、動的な結合の複雑さ、海洋生物とのデリケートな相互作用の必要性など、ロボットの水中探索の固有の課題は、海洋探査におけるソフトロボットアプローチの採用を求めています。
これに対処するために、原核生物の細菌鞭毛に触発された柔らかい水中ドローンである新しいプロトタイプZodiaqを提示します。
ZodiaqのユニークなDodecahedral構造は、12個の鞭毛のような腕を備えており、設計の冗長性とコンプライアンスを保証し、複雑な水中地形をナビゲートするのに最適です。
このプロトタイプは、ラズベリーPIに基づいた中央ユニットを備えており、慣性、深さ、視力検出のための感覚システムに接続されており、通信用の音響モデムがあります。
実装された制御法と組み合わせて、Zodiaqをインテリジェントシステムにします。
このペーパーでは、Zodiaqの設計と製造プロセスについて詳しく説明し、設計の選択とプロトタイプ機能を強調しています。
コセラットロッドのひずみベースのモデリングに基づいて、分析と制御を容易にするために、シミュレーションツールボックス内でプロトタイプのデジタルツインを開発しました。
動的水生条件での動作を最適化するために、単純化されたモデルベースのコントローラーが開発および実装され、流体力学的環境でのインテリジェントで適応的な動きを促進しました。
広範な実験デモンストレーションは、ドローンの可能性を強調し、設計の冗長性、具体化された知性、rawり、歩行のクロール、および多様な水中環境での実用的なアプリケーションを紹介します。
この研究は、水中のソフトロボット工学の分野に大きく貢献し、安全で効率的で環境に配慮した水中探査のための有望な新しい道を提供します。

要約(オリジナル)

The inherent challenges of robotic underwater exploration, such as hydrodynamic effects, the complexity of dynamic coupling, and the necessity for sensitive interaction with marine life, call for the adoption of soft robotic approaches in marine exploration. To address this, we present a novel prototype, ZodiAq, a soft underwater drone inspired by prokaryotic bacterial flagella. ZodiAq’s unique dodecahedral structure, equipped with 12 flagella-like arms, ensures design redundancy and compliance, ideal for navigating complex underwater terrains. The prototype features a central unit based on a Raspberry Pi, connected to a sensory system for inertial, depth, and vision detection, and an acoustic modem for communication. Combined with the implemented control law, it renders ZodiAq an intelligent system. This paper details the design and fabrication process of ZodiAq, highlighting design choices and prototype capabilities. Based on the strain-based modeling of Cosserat rods, we have developed a digital twin of the prototype within a simulation toolbox to ease analysis and control. To optimize its operation in dynamic aquatic conditions, a simplified model-based controller has been developed and implemented, facilitating intelligent and adaptive movement in the hydrodynamic environment. Extensive experimental demonstrations highlight the drone’s potential, showcasing its design redundancy, embodied intelligence, crawling gait, and practical applications in diverse underwater settings. This research contributes significantly to the field of underwater soft robotics, offering a promising new avenue for safe, efficient, and environmentally conscious underwater exploration.

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