Improving Swimming Performance in Soft Robotic Fish with Distributed Muscles and Embedded Kinematic Sensing

要約

バイオに触発された水中車両は、従来のプロペラ駆動型の水中車両よりも効率、操縦性、環境互換性の向上をもたらす可能性があります。
しかし、生物学の水泳パフォーマンスを実現するには、分布した筋肉と運動学的フィードバックの両方を備えたソフトロボットスイマーが必要です。
この研究では、独立して制御可能な筋肉と体に沿って埋め込まれた運動学的センシングを備えた柔らかいロボット魚のデザインと水泳の性能を示しています。
柔らかい水泳ロボットは、内部の柔軟な背骨、3つの軸方向に分布したハセル人工筋肉、埋め込まれたひずみゲージ、合理化されたシリコンボディ、およびオフボード電子機器で構成されています。
固定構成では、ソフトロボットは、すべての筋肉の同期拮抗作動を伴う最初の共鳴周波数（2 Hz）の近くで励起されると、7.9 mnの最大推力を生成します。
2番目の共振周波数（8 Hz）近くで興奮すると、同期した筋肉作動は5.0 mnのスラストを生成します。
筋肉作動に連続位相オフセットを導入することにより、2番目の共振周波数での推力は7.2 mnに増加し、単純な拮抗作動性から44％増加します。
連続した筋肉の活性化は、1）尾beat速度と2）水泳運動学の走行波の含有量を4回増加させることにより、推力を改善します。
さらに、2番目の共振周波数（8 Hz）は、テール変位の$ \約25 $％のみを必要とする一方で、最初の共鳴（2 Hz）とほぼ同じくらいの推力を生成します。
これらの結果は、独立して制御可能な筋肉と分布の運動学的センシングのパフォーマンスの利点を示しており、このタイプのソフトロボットスイマーは、感覚運動制御のオープンな課題に対処するためのプラットフォームを提供します。

要約(オリジナル)

Bio-inspired underwater vehicles could yield improved efficiency, maneuverability, and environmental compatibility over conventional propeller-driven underwater vehicles. However, to realize the swimming performance of biology, there is a need for soft robotic swimmers with both distributed muscles and kinematic feedback. This study presents the design and swimming performance of a soft robotic fish with independently controllable muscles and embedded kinematic sensing distributed along the body. The soft swimming robot consists of an interior flexible spine, three axially distributed sets of HASEL artificial muscles, embedded strain gauges, a streamlined silicone body, and off-board electronics. In a fixed configuration, the soft robot generates a maximum thrust of 7.9 mN when excited near its first resonant frequency (2 Hz) with synchronized antagonistic actuation of all muscles. When excited near its second resonant frequency (8 Hz), synchronized muscle actuation generates 5.0 mN of thrust. By introducing a sequential phase offset into the muscle actuation, the thrust at the second resonant frequency increases to 7.2 mN, a 44% increase from simple antagonistic activation. The sequential muscle activation improves the thrust by increasing 1) the tail-beat velocity and 2) traveling wave content in the swimming kinematics by four times. Further, the second resonant frequency (8 Hz) generates nearly as much thrust as the first resonance (2 Hz) while requiring only $\approx25$% of the tail displacement, indicating that higher resonant frequencies have benefits for swimming in confined environments where a smaller kinematic envelope is necessary. These results demonstrate the performance benefits of independently controllable muscles and distributed kinematic sensing, and this type of soft robotic swimmer provides a platform to address the open challenge of sensorimotor control.

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