TumblerBots: Tumbling Robotic sensors for Minimally-invasive Benthic Monitoring

要約

ロボットシステムは、水質モニタリング、汚染マッピング、生物多様性データ収集などの水環境センシング用途に大きな期待を寄せています。
従来の展開方法では、脆弱な生態系が破壊されることが多く、乱れていない環境状態を描写することができません。
この課題に応えるために、私たちは、ドローンを介して展開されるセンシングユニットを備えた軽量タンブラーシステムを利用する新しいフレームワークを提案します。
この設計は、ゆっくりとした降下を維持することで、水域の生息環境への混乱を最小限に抑えます。
センシングユニットは水面に着くと取り外されるため、底生帯から正確かつ非侵襲的なデータ収集が可能になります。
タンブラーは軽量かつコンパクトに設計されており、ドローンでの展開が可能です。
タンブラーから取り外して水底に降下するセンシングポッドには、温度センサーと圧力センサー、および浮力システムが装備されています。
後者は、タスクの完了時に作動し、化学反応によって膨張したシリコン膜を利用します。
この反応により 70 kPa の圧力が発生し、シリコン膜が 30% 膨張します。これは、正の浮力に必要な 5.7% の体積増加を超えます。
タンブラーは、ミッション中に紛失した場合の環境への影響を最小限に抑えるために環境に優しい素材で作られており、滑空率と降下率がテストされました。
降下速度は 1 秒あたり 0.8 ～ 2.5 メートルと低く、着水時の生態系への混乱を最小限に抑えます。
さらに、このシステムは屋外テストで中程度から強風条件下での堅牢性を実証し、全体的なフレームワークを検証しました。

要約(オリジナル)

Robotic systems show significant promise for water environmental sensing applications such as water quality monitoring, pollution mapping and biodiversity data collection. Conventional deployment methods often disrupt fragile ecosystems, preventing depiction of the undisturbed environmental condition. In response to this challenge, we propose a novel framework utilizing a lightweight tumbler system equipped with a sensing unit, deployed via a drone. This design minimizes disruption to the water habitat by maintaining a slow descent. The sensing unit is detached once on the water surface, enabling precise and non-invasive data collection from the benthic zone. The tumbler is designed to be lightweight and compact, enabling deployment via a drone. The sensing pod, which detaches from the tumbler and descends to the bottom of the water body, is equipped with temperature and pressure sensors, as well as a buoyancy system. The later, activated upon task completion, utilizes a silicon membrane inflated via a chemical reaction. The reaction generates a pressure of 70 kPa, causing the silicon membrane to expand by 30\%, which exceeds the 5.7\% volume increase required for positive buoyancy. The tumblers, made from ecofriendly materials to minimize environmental impact when lost during the mission, were tested for their gliding ratio and descent rate. They exhibit a low descent rate, in the range of 0.8 to 2.5 meters per seconds, which minimizes disturbance to the ecosystem upon water landing. Additionally, the system demonstrated robustness in moderate to strong wind conditions during outdoor tests, validating the overall framework.

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