Trajectory tracking of bionic fish based on a complex-valued central pattern generation network

In de vloeiende, veranderlijke wereld van onderwaternavigatie worden robots geconfronteerd met een uitdaging die ingenieurs al lang in verwarring brengt: hoe te bewegen met de gratie en veerkracht van een levend wezen. In tegenstelling tot een onderzeeër die vertrouwt op starre propellers en vaste roeren, zwemt een vis door de ritmische golving van zijn lichaam en vinnen te coördineren, een beweging die wordt aangestuurd door een biologische ritmegenerator die het hem in staat stelt zich onmiddellijk aan te passen aan stromingen en obstakels. Dit biologische ritme, in de wetenschap bekend als een centrale patroongenerator (central pattern generator), fungeert als een interne klok voor beweging, waarbij de herhalende signalen worden geproduceerd die nodig zijn om spieren aan te sturen zonder dat daar constante bewuste gedachten voor nodig zijn. Decennialang hebben onderzoekers geprobeerd dit systeem in machines na te bootsen, in de hoop robots te bouwen die even moeiteloos door turbulent water kunnen navigeren als een tonijn of een karper. Het doel is niet alleen om de vorm van een vis na te bootsen, maar om de neurale intelligentie te repliceren die het hem mogelijk maakt om evenwicht te bewaren en een pad te volgen, zelfs wanneer het water tegenwerkt.

Een team onderzoekers aan de Zhejiang University of Science and Technology heeft een belangrijke stap richting dit doel gezet door een nieuw controlesysteem te ontwerpen voor een robotvis die zij BF-1 noemen. Hun aanpak combineert een geavanceerd wiskundig model van de fysieke beweging van de robot met een neuraal netwerk dat het interne ritme van de vis nabootst. De kern van hun innovatie is een "complex-waardig" netwerk, een type digitale hersenen dat informatie kan verwerken op een manier die zorgt voor flexibelere aanpassingen dan traditionele systemen. In plaats van simpelweg te reageren op verstoringen, anticipeert dit systeem erop door signalen van gyroscopen te gebruiken — sensoren die meten hoe de robot kantelt en draait — om de timing en de kracht van de bewegingen van de staart en vinnen van de robot onmiddellijk bij te stellen. Door deze ritmische controle te integreren met een voorspellend algoritme dat voortdurend de positie van de robot berekent, hebben de onderzoekers een systeem gecreëerd dat de robot op koers kan houden, zelfs wanneer het water onrustig wordt.

De robot zelf, BF-1, is een gestroomlijnde machine met een plastic behuizing, een luchtdichte cabine voor de elektronica en een bionische staart die wordt aangedreven door een waterdichte motor. Het beschikt ook over twee borstvinnen aan de zijkanten, die samen met de staart werken om te sturen en te stabiliseren. De onderzoekers testten hun systeem in een buitenwateromgeving, waarbij ze de robot blootstelden aan twee verschillende omstandigheden: kalm, stabiel water en turbulent, verstoord water. Onder de kalme omstandigheden bewoog de robot soepel langs een rechte lijn, waarbij de staart en vinnen in een gestaag, gecoördineerd ritme oscilleerden. De echte test kwam echter toen de waterstroom plotseling turbulent werd, waardoor de robot kantelde en van koers afweek. Op die momenten detecteerden de gyroscopen de verandering in hoek en stuurden onmiddellijk signalen naar de centrale patroongenerator. Het systeem reageerde door de fase en amplitude van de signalen die de staart en vinnen aansturen te wijzigen, waardoor het ritme van de robot effectief werd gereset om de kracht van het water tegen te gaan.

De resultaten van deze experimenten lieten zien dat het nieuwe controlesysteem effectief werkte. Wanneer de waterstroom tijdens het experiment op het vijfde seconde overging van zacht naar turbulent, verschoof de lichaamshoek van de robot aanvankelijk, maar het controlesysteem corrigeerde de afwijking snel. De robot was in staat om terug te keren naar een stabiele staat en het beoogde rechte pad te blijven volgen zonder de weg kwijt te raken. De onderzoekers observeerden dat de linker en rechter borstvinnen op een gesynchroniseerde manier bewogen om evenwicht te bewaren, terwijl de staart zijn kracht aanpaste om tegen de stroom in te duwen. Deze coördinatie stelde de robot in staat om met hoge precisie een rechte lijn te volgen, zelfs terwijl het water tegen hem duwde. Het systeem reageerde niet alleen op de verstoring; het gebruikte een voorspellend model om de toekomstige positie van de robot te schatten en de snelheid en richting proactief aan te passen, waardoor de volgfout minimaal bleef.

Om de veelzijdigheid van hun ontwerp verder te testen, begeleidde het team de robot ook door een cirkelvormig traject onder vergelijkbare turbulente omstandigheden. Het maken van een cirkel vereist een ander soort coördinatie, waarbij de staart de kracht moet genereren om het lichaam te laten draaien, terwijl de vinnen zich aanpassen om de bocht vloeiend te houden. Het complex-waardige netwerk beheerde dit succesvol door de fasevertraging tussen de verschillende gewrichten aan te passen, waardoor de robot kon draaien en het cirkelvormige pad kon volgen. Zelfs toen de waterstroom de beweging van de robot verstoorde, wat de robot deed kantelen, compenseerde het systeem door de frequentie en sterkte van de vinbewegingen aan te passen. De robot handhaafde zijn cirkelvormige pad, wat bewees dat het controlesysteem niet alleen in staat is tot het volgen van een rechte lijn, maar ook tot complexe manoeuvres in een dynamische omgeving.

De onderzoekers benadrukken dat hun succes berust op de specifieke combinatie van de ritmische centrale patroongenerator en de voorspellende positiecontroller. Traditionele controlemethoden, zoals die gebaseerd op eenvoudige feedbackloops, hebben vaak moeite wanneer het water te turbulent wordt, wat leidt tot instabiele bewegingen of een falen om het gewenste pad te bereiken. Daarentegen gebruikt dit nieuwe systeem een dynamisch model van de fysica van de robot om onbekende verstoringen te schatten en die informatie terug te koppelen naar de control loop. Dit stelt de robot in staat om een robuuste prestatie te leveren, waarbij het zijn interne ritme in realtime aanpast aan de externe omgeving. De studie concludeert dat deze aanpak een stabiele en nauwkeurige manier biedt om te navigeren met bionische visrobots, wat bewijst dat zij zelfs bij aanzienlijke verstoringen in de waterstroom in hun oorspronkelijke richting kunnen blijven bewegen. Hoewel de huidige experimenten zich concentreerden op beweging aan het oppervlak, merken de onderzoekers op dat toekomstig werk de uitdagingen van dieper duiken moet aanpakken, waarbij de dynamiek van het water en het gedrag van de robot verder kunnen veranderen. Voor nu laat het werk echter een duidelijke weg zien naar robots die kunnen zwemmen met de aanpassingsvermogen en veerkracht van hun biologische tegenhangers.