Navegando na interface: física diferenciável para locomoção movida 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
Arxiv
On wave-driven propulsion
Graham P. Benham, Olivier Devauchelle, e 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}}