Robotvis schiet als een tonijn door het water

Ingenieurs in de Verenigde Staten hebben een robotvis gebouwd die precies zo zwemt als een tonijn. Die zwemt heel efficiënt en door zijn bewegingen na te bootsen, gaat de kunstvis veel sneller dan eerdere robotvissen.

De makers van de robot-tonijn beschrijven alle details in een artikel in het tijdschrift Science Robotics dat gisteren verscheen.

Wie wel eens een tonijn heeft zien zwemmen, weet dat deze dieren pijlsnel door het water kunnen schieten. De vorm van het lichaam is helemaal geëvolueerd om met weinig weerstand door het water te kunnen snijden. Vooral als het dier vlucht of jaagt, kan het snelheden bereiken tot wel 65 kilometer per uur.

De tonijn komt vooruit dankzij het golven van zijn hele lijf, van kop tot staartvin. Met die golvende beweging zet het dier zich af tegen het zeewater en krijgt het dus zijn voorwaartse snelheid.
 

Tunabot

Dit inspireerde robotonderzoekers aan de University of Virginia, in de Verenigde Staten, tot het ontwerpen van de Tunabot, een robot die uiterlijk veel weg heeft van een tonijn. Alleen dan wel een tonijn die wat is versimpeld en bestaat uit onderdelen van kunststof en metaal. De robotvis is 25,5 centimeter lang, 4,9 centimeter dik en 6,8 centimeter hoog. Daarmee is hij een stuk kleiner dan een echte tonijnen, die meters lang kunnen worden. 

 

 

De belangrijkste onderdelen van de Tunabot zijn te zien in bovenstaande figuur. Dat begint met een stijve kop van kunststof, ge-3D-print, die vastzit aan het mechanisme dat het vissenlijf laat buigen; dit is een motortje dat het achterlijf heel regelmatig laat oscilleren. Dit alles bevindt zich in een stijve structuur van kunststof die ook uit de 3D-printer is gerold. De huid van de robot-tonijn is van een rubberachtig materiaal van 1,5 millimeter dik.
 

Staartvin

Extra aandacht besteedden de bouwers aan het achterlijf van de Tunabot. Daar zit de staartvin, die bij het zwemmen een flink deel van de krachten overdraagt op het water. De staartvin zit vast aan het achterlijf met een dunne steel. Die steel heeft zelf heel fijne horizontale zijvinnen, die zorgen voor stabiliteit.
 

Hoge frequentie

De onderzoekers hingen de robot-tonijn in een bak water om zijn zwemgedrag te testen. De Tunabot kon zijn staart heen en weer bewegen met een opvallend hoge frequentie van 15 Hz, dus 15 keer per seconde. Hierbij haalt hij een snelheid van 4 keer zijn lichaamslengte (zo drukken biologen dat uit) per seconde, dus ongeveer 1 meter per seconde.
 

9 kilometer ver

Dit is een indrukwekkende prestatie, maar bij deze snelheid zwemt de robotvis niet op zijn efficiëntst. Dat punt ligt bij 0,4 meter per seconde. Op een batterijlading van 10 wattuur zou de vis dan ruim 9 kilometer ver kunnen zwemmen. Op zijn topsnelheid van 1 meter per seconde komt hij maar 4,2 kilometer ver.
 

Metingen doen onder water

Hoewel de Tunabot een van de snelste robotvissen tot nu toe is, reppen de onderzoekers niet over toepassingen in hun paper. Maar het is goed denkbaar dat wetenschappers onder water metingen willen doen op verschillende locaties in een gebied. Daarvoor zou de Tunabot (of een opvolger) kleine sensoren aan boord moeten krijgen. Ook voor het nemen van watermonsters op locaties die kilometers uit elkaar liggen, lijkt de onderwaterrobot geschikt.

En wat te denken van biologen die graag het leven onder water willen onderzoeken. Eerder kwamen ingenieurs van het MIT al met een robotvis die je met camera’s uit kunt rusten en die het onderwaterleven minder verstoort dan een duiker dat doet.

 

Verbeteringen

De onderzoekers beschrijven in hun artikel wel mogelijke verbeteringen aan de Tunabot. In metingen zagen ze dat hun robotvis zich nog lang niet zo efficiënt voortbeweegt als een echte tonijn of makreel (die ze ook filmden). ‘Bij dezelfde frequentie van de staart zwemt een makreel bijna twee keer zo snel als de Tunabot’, schrijven ze. Dit zit hem vooral in de staartvin van deze dieren. Die slaat bij tonijnen en makrelen minder ver uit, waardoor de overdracht van kracht op het water beter is. Nog genoeg te leren van de natuur dus.

Openingsfoto De Tunabot. Foto University of Virginia. Overig beeldmateriaal Zhu et al., Sci. Robot. 4, eaax4615 (2019)