ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР В ПОДВОДНЫХ АППАРАТ

USE OF MICRO ELECTROMECHANICAL STRUCTURES IN UNDERWATER VEHICLES

Dmitry Smykov

student, Department of Design and Production Technology of Marine Underwater Vehicles and Robots, St. Petersburg State Marine Technical University,

Russia, St. Petersburg

Evgeny Dobrovolsky

student, Department of Design and Production Technology of Marine Underwater Vehicles and Robots, St. Petersburg State Marine Technical University,

Russia, St. Petersburg

Ekaterina Vinogradova

student, Department of Design and Production Technology of Marine Underwater Vehicles and Robots, St. Petersburg State Marine Technical University,

Russia, St. Petersburg

Elizaveta Kochkareva

student, Department of Design and Production Technology of Marine Underwater Vehicles and Robots, St. Petersburg State Marine Technical University,

Russia, St. Petersburg

Anastasia Savkina

student, Department of Design and Production Technology of Marine Underwater Vehicles and Robots, St. Petersburg State Marine Technical University,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Mems-датчики, что это такое, а так же, что они позволяют сделать и где применяются.

ABSTRACT

Mems sensors, what they are, what they can do and where they are used.

Ключевые слова: mems-датчики, датчики.

Keywords: mems sensors, sensors.

Введение

Микро-электромеханические системы, эти системы являются «системами свободного масштабирования». Компонентами MEMS являются микроструктура, микро датчики, микроэлектроника и микроактуаторы.

MEMS — это технология, которая может быть широко внедрена в водных роботах, поскольку в водной роботизированной миссии у нас есть больше факторов, которые не находятся под контролем человека, и их нельзя предсказать или изучить в реальных операциях. После внедрения МЭМС в водных роботов мы получаем более стабильных подводных роботов. Такое использование датчиков MEMS в водных роботах основано на измерении давления у водных животных. Его реализация значительно поможет исследователям с высокой точностью исследовать даже глубокие уголки водоёмов.

"Сенсорное" устройство, похожее на цепочку "щупалец" от NTU

Ученые из Nanyang Technological University изобрели "сенсорное" устройство, похожее на цепочку "щупалец", найденных на теле Слепой пещерной рыбы, которое позволяет рыбе чувствовать окружение и поэтому легко ориентироваться.

Используя комбинацию изменения давления воды и технологии компьютерного зрения, сенсорное устройство способно выдавать пользователям трехмерное изображение близлежащих объектов и отображать их окрестности. Возможности применения этого датчика, вдохновленного рыбой, огромны. Датчик потенциально может заменить дорогостоящие "глаза и уши" на автономных подводных аппаратах (AUS), подводных лодках и лодках, которые в настоящее время используют камеры и гидролокаторы для сбора информации об окружающей среде. Революционный маломощный датчик отличается от камер, которые не могут видеть в темной или мутной воде, или гидролокаторов, звуковые волны которых наносят вред некоторым морским животным. Эти чрезвычайно маленькие датчики (каждый датчик размером 1,8 мм x 1,8 мм) в настоящее время используются в автономных подводных аппаратах, разработанных исследователями из Сингапурского альянса исследований и технологий MIT (SMART), исследовательского центра, финансируемого Национальным исследовательским фондом. Центр разрабатывает новое поколение подводных роботов, похожих на скатов, и автономные надводные суда.

Новые датчики, изготовленные с использованием микроэлектромеханических систем (Технология MEMS), они сделают таких роботов умнее и продлят время их работы за счет экономии заряда батареи.

Доцент Мяо Цзяньминь из Школы механики и аэрокосмической инженерии и его команда из четырех человек потратили последние пять лет в сотрудничестве со SMART на разработку микродатчиков, имитирующих ряд "щупалец" по обе стороны тела Слепой пещерной рыбы.

Доцент Мяо сказал, что линейка датчиков, присутствующих на теле рыбы, является причиной того, что она может ощущать окружающие ее объекты и при этом двигаться на высоких скоростях, не сталкиваясь с какими-либо подводными препятствиями.

"Чтобы имитировать природу, наша команда создала микроскопические сенсорные столбы, завернутые в гидрогель - материал, похожий на естественные нейромасты слепых пещерных рыб - в массив из двух рядов по пять датчиков", - сказал профессор Мяо.

Что позволяют сделать эти датчики

"Этот набор микродатчиков позволит автономным подводным аппаратам находить, идентифицировать и классифицировать препятствия и объекты в воде по давлению воды, а также оптимизировать свое движение в воде, воспринимая поток воды".

Новая матрица датчиков, стоимость изготовления которой составляет менее 100 долларов США, также более доступна, чем сонары, которые могут обнаруживать удаленные объекты, но не близлежащие объекты, и стоят тысячи долларов.

Профессор Майкл Триантафиллу из SMART сотрудничает с профессором Мяо в разработке датчиков и внедрении их для использования на AUV. Профессор Триантафиллу из Центра экологического зондирования и моделирования SMART (CENSAM) является одним из ведущих мировых экспертов по созданию подводных роботов, созданных по образцу водных животных, таких как рыбы.

По словам профессора Триантафиллу, текущие проблемы с AUV включают плохую навигацию в мутных или мутных водах, таких как у берегов Сингапура, поскольку подводные камеры могут видеть только на небольшом расстоянии.

"Другие методы, такие как подводные фонари и камеры, акустическая навигация и гидролокаторы, также работают, но они очень дороги и требуют очень высокого уровня мощности, что приводит к разрядке батарей. Новые датчики намного дешевле и требуют лишь небольшого количества энергии. Кроме того, такие датчики, как сонар, являются громкими и агрессивными, и они могут нанести вред водным животным, которые также используют звуковые волны для навигации ", - добавил профессор Массачусетского технологического института.

Целью AUVs является экологическое зондирование, обнаружение загрязнения окружающей среды, загрязняющих веществ и мониторинг общего качества воды в водах Сингапура. В AUV будут установлены химические датчики для определения химического состояния воды (растворенный кислород, питательные вещества, металлы, масла и пестициды), а также биологические датчики для мониторинга состояния воды, например, вредных бактерий и патогенов.

Потенциалы и результаты возможных применений

Другое потенциальное применение этих датчиков MEMS, специализирующихся на обнаружении в ближнем поле, включает в себя оборонные приложения. Они могут обнаруживать близлежащие подводные лодки без использования гидролокатора, который выдает местоположение человека.

Результатом этого совместного исследования стали две прорывные статьи, которые были приняты для презентации на конференции MEMS в январе следующего года на Тайване, организованной Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE). Одна из статей посвящена разработке пьезоэлектрического датчика, который не требует никакой энергии, поскольку генерирует электрическое напряжение, когда вода проходит мимо "щупалец". Вторая статья посвящена маломощному биомиметическому датчику, который может обнаруживать подводные объекты, даже когда мимо него протекает мало воды.

Для дальнейшего совершенствования датчика команда профессора Мяо в настоящее время стремится разработать гибридный датчик, который будет сочетать высокую точность пьезоэлектрического датчика с нулевым энергопотреблением и способность статического датчика обнаруживать объекты в неподвижной воде.

Список литературы:

1. Nanyang Technological University. "Micro sensors help underwater robots swim like fish." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2012/12/121212092635.htm (дата обращения: 17.01.2024). – Текст: электронный.
2. https://www.researchgate.net/publication/267931537_Touch_at_a_distance_sensing_lateral-line_inspired_MEMS_flow_sensors (дата обращения: 17.01.2024). – Текст: электронный.