水下机器人开创了新的节能浮力控制

由莱斯大学工程系学生团队建造的远程操作水下机器人开创了一种通过水分解燃料电池控制浮力的新方法。该设备是在奥什曼工程设计厨房在为期一年的高级设计顶点课程中设计和建造的，提供了一种更节能的方法来维持中性浮力——水下作业的关键组成部分。

该机器人可作为基于燃料电池的浮力控制装置(BCD)潜力的概念验证，以降低远程操作或自主水下航行器(AUV)的运营成本，其潜在应用范围包括环境监测、海洋学研究、事和事研究等。工业任务，为传统推进器驱动的AUV提供更安静、更节能的替代方案。

Bay-Max团队成员包括AndrewBare、SpencerDarwall、NoahElzner、RafeNeathery、EthanPeck和DanZislis，其项目基于莱斯大学和休斯顿大学研究人员的一篇学术论文，该论文表明燃料电池支持的深度控制可以减少与传统的基于直流电机的推进器设计相比，AUV的能耗降低高达85%。莱斯大学机械工程和生物工程教授、该团队的发起人FathiGhorbel是该研究的合著者。

“BayMax学生团队很高兴能够实施基于电解的创新研究想法，”Ghorbel说。“这个想法涉及将水转化为氢气和氧气，以控制AUV的浮力，从而模仿鱼类的鱼鳔。这项研究是我的实验室、莱斯大学LauraSchaefer教授的实验室和郑晨教授实验室之间合作项目的一部分在休斯顿大学。

“这项合作研究旨在开发无绳连续体软发动机，利用可逆质子交换膜燃料电池和水电解器来驱动体积质量转换。通过这个设计项目，BayMax团队证明了该技术在AUV与物理世界交互中的功效”。

Ghorbel表示，这项技术能源效率高，消除了推力噪音，具有广泛的应用，例如AUV、材料智能、辅助可穿戴设备、自适应和可重新编程的机器人服装和织物作为机器。

“对我们来说，这很酷的一点是，这是一项真正前沿的技术，以前从未以我们正在做的方式做过，”贝尔说。“我们是第一家在具有俯仰横滚和广泛控制功能的设备中实施这项技术的公司，所以我们对此感到非常兴奋。”

尼瑟里解释说，“传统的水下机器人使用推进器或大型泵和螺旋桨来改变和保持其深度。”

他说：“这可能会带来问题，因为它们的能源消耗很高，而且重量很重，成本也更高。”

BCD将可逆氢燃料电池(利用电力将水转化为氢气和氧气，反之亦然)与气球结合在一起，使机器人能够以最少的能源消耗平稳地调整其深度。

“当我们向燃料电池施加电压时，我们可以通过让蒸馏水穿过燃料电池基板并电离成两种气体来增加设备的浮力，”齐斯利斯说。“当我们想要保存或重新获得能量并减少设备的浮力时，我们会向相反方向发送电压，从而反转该过程。”

由于氢和氧自然会发生反应并形成水，因此反向电解会产生设备可以利用的能量。该机器人还集成了多个不同的传感器，用于收集有关系统生命体的信息，更重要的是，收集有关设备水下位置和方向的信息。

该信息被输入仪表板，显示核心系统信息、机器人位置的实时图表、其相对方向的模拟以及BCD激活状态的自上而下视图。

“仪表板是我的主要职责，”埃尔兹纳说。“这种设置让我们能够实时监控从机器人的深度到方向的一切。”

该机器人将自动稳定算法和深度控制与车辆的手动控制相结合。

“我们整合了一个真正的视频游戏操纵杆，”达沃尔说，并补充说该项目要求他“深入研究控制理论并学习新软件。”

“我认为除了获得真正有益的成果之外，这也是一次很棒的学习经历，”他说。

该项目在4月11日于Ion举行的年度HuffOEDK工程设计展示会上荣获威利革命杰出创新奖第二名。

佩克说：“现在已经花了一年的时间并投入了如此多的时间，看到所有工作结合在一起的结果真的很值得。”

该团队凝聚了对车辆工程或机器人技术的共同兴趣，并渴望运用自己的技能做一些自己舒适区之外的事情。

“我们大多数人都是在课堂和/或俱乐部(例如大学的火箭俱乐部RiceEclipse)中认识的，”齐斯利斯说。“我们受到启发，共同致力于这样一个雄心勃勃、令人惊叹的项目，因为我们知道我们将拥有良好的团队化学反应，这将使我们能够相互支持和挑战。”

管理系统相互依赖性是团队面临的重大挑战之一。

“对于这样的项目，集成至关重要，”齐斯利斯说。“对我来说，另一个收获是为任何给定项目确定明确范围的重要性。有了这个机器人，我们可以专注于很多不同的事情。例如，我们可以致力于提高燃料电池效率或制造机械臂。

“相反，我们选择保持其他元素简单，以免将注意力从主要部分(即浮力控制装置)上转移。这种决策过程不仅是良好工程的一部分，而且与一切都相关在生活中。”

该团队由Ghorbel、莱斯大学机械工程讲师DavidTrevas和电气与计算机工程实践教授GaryWoods指导。