Física diferenciable para robots impulsados por ondas
Cabalgando la interfaz: física diferenciable para la locomoción impulsada por ondas
Un pequeño robot sentado sobre el agua puede propulsarse hacia adelante sin remos, aletas o chorros: vibrando. La vibración irradia ondas superficiales y, si esas ondas son direccionalmente asimétricas, su desequilibrio de momento genera un empuje neto. El SurferBot (Rhee et al., 2022) demostró esto experimentalmente; nuestro trabajo construye un simulador donde cada elección de diseño puede optimizarse directamente.
En una interfaz aire-agua, la tensión superficial, las ondas de gravedad y los efectos de masa añadida gobiernan la dinámica de la interfaz. El rendimiento depende de elecciones acopladas: forma del cuerpo, distribución de masa, ubicación del motor, frecuencia de accionamiento, forma de onda y propiedades del fluido, todo lo cual es costoso de explorar mediante experimentos. Modelamos al robot como un cuerpo flotante, posiblemente flexible, restringido a la interfaz y accionado por un actuador que varía en el tiempo, con el fluido circundante descrito por una teoría de superficie libre de pequeña amplitud que resuelve la interfaz (Benham et al., 2024). El simulador es diferenciable con respecto a todos los parámetros de diseño $\theta$: las actualizaciones de estado utilizan resoluciones lineales y no lineales $A(\theta)\,y=b(\theta)$ con reglas personalizadas de modo inverso, por lo que $\nabla_\theta \mathcal{L}$ se deduce de dos resoluciones lineales (directa y adjunta) por paso de tiempo, manteniendo la memoria acotada y los gradientes estables a lo largo de toda la trayectoria.
Con estos gradientes, la optimización de múltiples inicios explora geometrías de casco, colocaciones de actuadores y formas de onda de accionamiento; la optimización bayesiana maneja la búsqueda global bajo restricciones de presupuesto de energía y manufacturabilidad.
2024
Arxiv
On wave-driven propulsion
Graham P. Benham, Olivier Devauchelle, Stuart J. Thomson
@article{Benham_Devauchelle_Thomson_2024,title={On wave-driven propulsion},volume={987},doi={10.1017/jfm.2024.352},journal={Journal of Fluid Mechanics},author={Benham, Graham P. and Devauchelle, Olivier and Thomson, Stuart J.},year={2024},pages={A44}}
2022
SurferBot: a wave-propelled aquatic vibrobot
Eugene Rhee, Robert Hunt, Stuart J Thomson, and 1 more author
Nature has evolved a vast array of strategies for propulsion at the air-fluid interface. Inspired by a survival mechanism initiated by the honeybee (Apis mellifera) trapped on the surface of water, we here present the SurferBot: a centimeter-scale vibrating robotic device that self-propels on a fluid surface using analogous hydrodynamic mechanisms as the stricken honeybee. This low-cost and easily assembled device is capable of rectilinear motion thanks to forces arising from a wave-generated, unbalanced momentum flux, achieving speeds on the order of centimeters per second. Owing to the dimensions of the SurferBot and amplitude of the capillary wave field, we find that the magnitude of the propulsive force is similar to that of the honeybee. In addition to a detailed description of the fluid mechanics underpinning the SurferBot propulsion, other modes of SurferBot locomotion are discussed. More broadly, we propose that the SurferBot can be used to explore fundamental aspects of active and driven particles at fluid interfaces, as well as in robotics and fluid mechanics pedagogy.
@article{Rhee_2022,doi={10.1088/1748-3190/ac78b6},url={https://dx.doi.org/10.1088/1748-3190/ac78b6},year={2022},month=jul,publisher={IOP Publishing},volume={17},number={5},pages={055001},author={Rhee, Eugene and Hunt, Robert and Thomson, Stuart J and Harris, Daniel M},title={SurferBot: a wave-propelled aquatic vibrobot},journal={Bioinspiration & Biomimetics}}