Robotfisk drevet af kunstigt blod kan svømme i 36 timer
Det falske fiskeblod tilbyder en mulig løsning på nogle af problemerne med batteridrevne robotter, mener studiets medforfatter.

Når robotten glider gennem vandet, ligner den mest af alt en ukendt dybhavsfisk, men faktisk består fiskeskindet af silikone og den svømmer rundt i en saltvandstank (Video: James Pikul).

En robot-dragefisk svømmer mod strømmen og bevæger brystfinnerne ved hjælp af rød væske, der cirkulerer rundt i tykke silikonerør i dens bug.

Det lyder umiddelbart som noget fra en sci-fi-gyser, men faktisk er det en splinterny opfindelse, som et hold amerikanske forskere lige har præsenteret i det fine videnskabelige tidsskrift Nature.

Opfinderne spår, at cirkulationssystemet i robotfisken muligvis kan give et svar på en af robotteknologiens helt store udfordringer.

»Cirkulationssystemet i vores robot kan både drive den frem mekanisk og lagre energi. På den måde kan robotten være en mulig løsning på problemet med energilagring indenfor robotforskning,« siger James Pikul til Videnskab.dk.

Han er adjunkt ved Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics, University of Pennsylvania og medforfatter på det nye studie.

Fiskerobot cirkulationssystem

De syntetiske blodbaner i den dragefisk-inspirerede robotfisk er lavet af sammenkoblede zinkiodid-strømcellebatterier, som indeholder flydende elektrolyt. (Foto: James Pikul)

Sådan virker fisken

Robotfisken er en udholdende lille skabning.

Den vejer kun 2,3 kilogram, men selvom der ikke er plads til tunge batterier ombord, kunne den under forskernes afprøvning af systemet svømme i op til 36 timer med en hastighed på halvanden kropslængder i minuttet imod en svag strøm.

»Vi har ikke fået den til at lave nogen komplekse bevægelser. Fordi teknologien stadig er så ny, starter vi med det helt grundlæggende,« siger James Pikul.

Robotfisken kan bevæge sig uden at være tilsluttet en stikkontakt, men udelukkende ved hjælp af det cirkulationssystem, som forskerne har indlejret i den.

Den røde væske inden i den lille svømmer er nemlig ikke blod, men flydende elektrolyt, bestående af ioner, der bliver cirkuleret rundt i robotten via pumper, som er forbundet med henholdsvis halefinnen og bryst- og rygfinnen. Bevægelsen af væsken får fisken til at svømme, fortæller James Pikul.

Den samme elektrolyt lagrer energi, og når energien bliver trukket ud af væsken, giver den både strømforsyning til pumpen og kontrolsystemet, som forskerne styrer robotten med. På den måde fungerer elektrolytten som fiskens batteri.

I fiskens bug gemmer der sig altså et lukket kredsløb, som både producerer strøm og får fisken til at bevæge sig.

LÆS OGSÅ: Livagtig robotfisk narrer og udspionerer livet i havet

Fiskerobot i vandtank

Helt selvstændig er fiskerobotten ikke. Forskernes computer har forbindelse til den via bluetooth, så de kan sende et signal til fisken om, hvad den skal gøre. (Foto: James Pikul)

Sådan lagrer elektrolytten energi

Når man lader fiskens batteri op, fyldes elektrolytvæsken med triiodide ioner. Jo højere koncentration, des mere er batteriet ladet på.

Da ionerne i elektrolytten skal være i nærheden af den aktive del af batteriet, må den cirkuleres rundt, så de friske ioner kommer ind i batteriet.

Sådan fortsætter det, indtil der ikke er flere ioner i elektrolytten. Så er batteriet løbet tør. 

Kilde: Jens Christian Andersen

Mulig løsning på problem inden for robotteknologien

Robotfiskens cirkulationssystem kan være med til at løse en af robotteknologiens allerstørste udfordringer: At lave robotter, der fungerer optimalt uden at have en begrænsende ledning hængende efter sig, mener James Pikul.

I batteridrevne robotter er der normalt et valg mellem at forbedre batteriets levetid og at robotten kan bevæge sig frit og ubesværet. Du kan ikke få lige meget af begge dele.

For at gøre batteriet kraftfuldt, så robotten kan køre i lang tid, må ingeniørerne tilføje flere batteripakker, men så bliver de også nødt til at gøre robotten større eller modificere den, så der er plads til batterierne ombord. Det begrænser dog dens ydeevne.

Derfor er det smart, at robotfisken har et cirkulationssystem, som både tager sig af dens bevægelser og forsyner den med strøm. Flere funktioner i ét system sparer plads.

»Hvis vi for eksempel bare havde forsynet robotfisken med almindelige lithium-ion-batterier, som kun kan bruges til enten at lagre energi eller skabe fremdrift, ville vi have været nødt til at lave fisken meget større og tungere. Det ville have gjort den langsommere,« forklarer James Pikul.

Henter inspiration i biologiens verden

Selvom mange robotter ligner mennesker eller dyr udenpå, er de fulde af batterier og motorer indeni. Men i det nye studie har forskerne taget inspiration fra biologiens verden for at optimere den lille mekaniske dragefisks indre.

»Hvis du ser på de systemer, der findes i robotter, biler og elektronik i dag, så er de konstrueret til kun at udføre én opgave. Bilmotorer får for eksempel kun bilen til at bevæge sig fremad,« siger studiets medforfatter.

»Men i biologien har vi komplicerede kemiske systemer, der er multifunktionelle. Muskler gør os i stand til at bevæge os, men de lagrer også energi. Det er en af grundene til, at vores krop er rigtig god til at gå omkring i flere dage uden at spise. Robotter er derimod meget sultne efter strøm, og det er en væsentlig begrænsning for teknologien.«

På grund af robotteknologiens problem med balancen mellem batterilevetid og bevægelighed er det smart, at systemet indeni fiskerobotten kan udføre flere opgaver ad gangen, mener James Pikul.

‘Biorobotik’, hvor forskere lader sig inspirere af biologiske systemer i dyr og mennesker, ligesom de amerikanske forskere bag robotfiske-studiet, er ikke noget nyt indenfor robotforskning. På Syddansk Universitet laver de for eksempel robotter, som skal udstyres med kunstig dyrehjerne, eller som får sko af hajskind på.

LÆS OGSÅ: Bionik – når teknologi efterligner naturen

Fiskerobotten med syntetisk blod

Den standhaftige fiskerobot kan padle derudad i 36 timer, men pumperne bruger dens røde ‘robotblod’ op, og så skal den lades op ligesom et batteri. (Foto: James Pikul)

Finansiering

Forskningsprojektet er finansieret af den amerikanske flåde, United States Navy.

Fin kombination af ideer, men de giver også begrænsninger

Begejstringen for den lille fiskerobot bliver tonet lidt ned, da Jens Christian Andersen, lektor ved Institut for Elektroteknologi ved DTU Elektro, vurderer studiet for Videnskab.dk:

»Jeg synes, det er en fin og smart kombination af batterier og hydraulik, og at få en fisk til at bevæge sig på en naturlig måde er spændende, så det er en sammensætning af fine ideer. Jeg er bare nervøs for kompromiserne, forskerne må indgå, for at kombinere teknologierne på denne måde,« siger DTU-lektoren.

Med kompromiser mener han, at forskerne er blevet nødt til at vælge materiale, der gør, at fisken kan bevæge sig naturligt. Det begrænser robottens holdbarhed.

Silikonen, som cirkulationssystemet er lavet af, reagerer nemlig med elektrolyttens ioner ved at opsluge dem. Det nedbringer batteriets levetid.

Flot, at meget energi er presset sammen på lidt plads

Energitætheden i fiskerobotten er det mest imponerende ved forskningsprojektet, mener Jens Christian Andersen.

»Ved at kombinere batterier og hydraulik har forskerne fået et meget kompakt system, hvilket de også fremhæver som det smarte ved projektet,« siger han.

Energitæthed dækker over, hvor mange kilowatt-timer og hestekræfter, forskerne kan få ud af den røde elektrolytvæske inden i fiskerobotten.

Energitætheden i fisken er 53 joule per gram. Det tal kan Jens Christian Andersen heldigvis oversætte til noget mere forståeligt ved hjælp af lidt hurtig hovedregning.

»Lad os sige, at vi har en bil, der kører 1.000 kilometer på 60 liter benzin. Hvis vi skulle tage robotfiskens cirkulationssystem og putte det ind i bilen, ville vi kunne komme cirka 50 kilometer, så der er stadig lidt af en forskel,« siger DTU-lektoren.

Der er altså langt igen, før vi kan integrere blodårerlignende elektrolyt-kredsløb i store motorkøretøjer og få en bedre ydeevne end forbrændingsmotorer med benzin.

LÆS OGSÅ: Robot-etiker: Derfor tillægger vi robotter følelser

Fiskens hale bevæger sig frem og tilbage ved hjælp af en pumpe i halen forbundet til katolyt, som samtidig lagrer energi. (Video: James Pikul)

Elektrolyt?

Elektrolyt er et stof, der kan lede elektrisk strøm, hvis den indeholder ioner, altså elektrisk ladede atomer, som er i bevægelse. 

Elektrolyt kommer både i fast og flydende form. Den flydende form bruges i lithium-ion batterier. 

Den slags batterier bruges i el-biler, bærbare pc'er, mobiltelefoner, kameraer, og har den højeste energitæthed for genopladelige batterier.

Fisken ville svømme hurtigere, hvis den var større

En sidste pointe fra Jens Christian Andersen er, at fiskerobottens ophavsmænd burde have gjort den større og tungere, så den kunne svømme hurtigere.

Som den ser ud nu, må robotten nemlig holdes under vandet ved et lod, som forhindrer opdrift. Det kunne forskerne med fordel have erstattet med et større batteri med samme vægt som loddet, mener DTU-lektoren.

»En missionstid på 36 timer er flot, men på den anden side er en svømmehastighed på 1,56 fiskelængder i minuttet ret beskedent,« siger Jens Christian Andersen.

Han mener, at et større batteri kunne have skudt noget mere fart ind i fisken.

LÆS OGSÅ: Kan vi lære robotter at handle etisk i krig?

LÆS OGSÅ: Hvornår får vi en robot, der både køber ind, laver mad og gør rent?

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.