Locomoção interfacial

Física diferenciável para robôs movidos a ondas

Um pequeno robô sobre a água pode se propulsionar para frente sem pás, nadadeiras ou jatos: vibrando. A vibração irradia ondas superficiais e, se essas ondas forem direcionalmente assimétricas, seu desequilíbrio de momentum gera um empuxo líquido. O SurferBot (Rhee et al., 2022) demonstrou isso experimentalmente; nosso trabalho constrói um simulador onde cada escolha de design pode ser otimizada diretamente.


Em uma interface ar-água, a tensão superficial, as ondas de gravidade e os efeitos de massa adicional governam a dinâmica da interface. O desempenho depende de escolhas acopladas: formato do corpo, distribuição de massa, localização do motor, frequência de acionamento, forma de onda e propriedades do fluido, todos os quais são caros de explorar por experimento. Modelamos o robô como um corpo flutuante, possivelmente flexível, restrito à interface e acionado por um atuador variável no tempo, com o fluido circundante descrito por uma teoria de superfície livre de pequena amplitude que resolve a interface (Benham et al., 2024). O simulador é diferenciável em relação a todos os parâmetros de design $\theta$: as atualizações de estado usam resoluções lineares e não lineares $A(\theta)\,y=b(\theta)$ com regras personalizadas de modo reverso, de modo que $\nabla_\theta \mathcal{L}$ segue de duas resoluções lineares (direta e adjunta) por etapa de tempo, mantendo a memória limitada e os gradientes estáveis em toda a trajetória.

Com esses gradientes, a otimização de múltiplos inícios explora geometrias de casco, posicionamentos de atuadores e formas de onda de acionamento; a otimização Bayesiana lida com a busca global sob restrições de orçamento de energia e capacidade de fabricação.

Referências

2024

  1. Arxiv
    On wave-driven propulsion
    Graham P. Benham, Olivier Devauchelle,  e  Stuart J. Thomson
    Journal of Fluid Mechanics, 2024

2022

  1. SurferBot: a wave-propelled aquatic vibrobot
    Eugene Rhee, Robert Hunt, Stuart J Thomson, and 1 more author
    Bioinspiration & Biomimetics, Jul 2022