Conception et contrôle d'un robot poisson pangasius biomimétique doux utilisant l'effet de rayon de nageoire et l'apprentissage par renforcement

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21861 (2022) Citer cet article

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Les robots souples permettent d'imiter avec précision les créatures biologiques et de s'intégrer dans leur environnement avec une invasion ou une perturbation minimale de leur écosystème. Ces robots fabriqués à partir de matériaux souples et déformables possèdent des propriétés structurelles et des comportements similaires aux corps et organes des créatures vivantes. Cependant, ils sont difficiles à développer en termes d’actionnement et de détection intégrés, de modélisation précise et de contrôle précis. Cet article présente un poisson robot hybride souple-rigide inspiré du poisson Pangasius. Le robot utilise une structure de queue à nageoires flexibles entraînée par un servomoteur, pour agir comme le corps mou du robot et fournir le mouvement ondulatoire à la nageoire caudale du poisson. Pour relever les défis de modélisation et de contrôle, l'apprentissage par renforcement (RL) est proposé comme stratégie de contrôle sans modèle permettant au poisson robot de nager et d'atteindre un objectif cible spécifié. En entraînant et en étudiant le RL à travers des expériences sur du matériel réel, nous illustrons la capacité du poisson à apprendre et à accomplir la tâche requise.

Les profondeurs sous-marines se sont révélées être des environnements très difficiles à explorer pour les humains. Les chercheurs et les ingénieurs s’efforcent de construire des systèmes robotiques sous-marins pour accomplir cette entreprise dangereuse. De l'investigation océanique et de l'exploration de la vie marine à l'exécution de missions sous-marines et à la collecte d'échantillons en passant par la surveillance et la maintenance des structures offshore et sous-marines, de nombreuses tâches complexes doivent être effectuées dans des conditions difficiles et imprévisibles. Ces tâches aquatiques sont généralement effectuées à l'aide de véhicules sous-marins tels que les véhicules télécommandés (ROV) et les véhicules sous-marins autonomes (AUV). Cependant, les AUV sont actuellement limités aux opérations d'exploration à moyenne profondeur, tandis que les ROV sont plus adaptés à l'étude des fonds marins profonds mais sont limités par les exigences d'attache et de pilotage manuel. De plus, ces systèmes sont principalement constitués de pièces rigides qui limitent leur maniabilité, leur capacité à interagir en toute sécurité avec leur environnement et leur adaptabilité aux imprévisibles climats aquatiques1. Tirer parti des nouvelles avancées technologiques en matière de biomimétique et de robotique douce fournit des solutions prometteuses pour construire des systèmes robotiques capables de fonctionner plus naturellement et de résister à ces environnements difficiles2,3.

L’étude des différentes créatures biologiques marines permet de mieux comprendre les caractéristiques qui leur permettent de vivre et de peupler de vastes régions océaniques. S'inspirer des morphologies des organismes vivants sous-marins, de leurs techniques de nage et de locomotion et de leurs capacités sensorielles contribue au développement de systèmes robotiques bioinspirés similaires à ces créatures, rendant ces robots plus adaptés aux applications sous-marines. Le mouvement de nage parmi les créatures sous-marines montre une variété de techniques de locomotion, guidées par les structures morphologiques et les formes de ces créatures4. La majorité des créatures aquatiques possèdent un corps souple et comptent sur la déformation de leur corps pour générer la poussée nécessaire à la locomotion. La classification la plus courante des mouvements de nage des poissons a été adoptée en fonction de l'anatomie des poissons et de leurs propulseurs5. En déplaçant leur corps et leurs nageoires avec différentes fréquences ondulatoires ou oscillatoires, les poissons peuvent générer la poussée nécessaire pour avancer, tourner et manœuvrer pour s'échapper. Bien que cette classification concerne principalement la nage des poissons et des batoïdes, d'autres créatures marines telles que les méduses, les tortues, les échinodermes et les crustacés utilisent différents types de locomotion comme la propulsion par réaction, la nage induite par la traînée et le rampage. En outre, plusieurs études se sont concentrées sur les comportements individuels et collectifs des poissons, ainsi que sur leurs interactions sociales avec les robots poissons biomimétiques6,7,8,9,10. Ces recherches donnent un aperçu de l'utilisation de robots ressemblant à des poissons pour interagir avec et étudier le comportement des poissons, ainsi que les mécanismes responsables des agrégations de phénotypes mixtes, et fournissent également des stimuli biohybrides pour une analyse sociale plus approfondie, telle que le traitement de l'anxiété et le transfert d'informations.