Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект посвящен разработке нейроморфной системы управления робота-рыбы на основе моделирования работы ЦГР – центральных генераторов ритма. ЦГР в общем случае представляют собой специализированные нейроны и их группы (ансамбли), отличающиеся ритмической выходной активностью, предназначенной для контроля движения. Разные виды рыб характеризуются различным типом локомоции. В проекте разрабатываются две модели робота: тип "Тунец" и тип "Щука", с тунниформным и карангиформным типом плавания соответственно. Робот-тунец будет иметь 1 движитель и фиксированный жесткий корпус, робот-щука - несколько движителей, обеспечивающих перемещение робота с гибким корпусом. В рамках выполнения первого этапа проекта была разработана нейроморфная система управления роботом-рыбой на основе моделей ЦГР на фазовых осцилляторах. Универсальность данной модели позволяет осуществить тунниформный способ локомоции путем моделирования противофазного сигнала двух моторных единиц, обеспечивающего отклонение хвоста и его возвратное движение. Таким образом, происходит формирование двигательного паттерна хвостового плавника, что способствует длительному и энергоэффективному перемещению робота с фиксированным жестким корпусом. Для робота с гибким корпусом модель включает несколько осцилляторов, соответствующих моторам – сгибателям корпуса. Фазовые соотношения обеспечивают карангиформный тип плавания. С помощью выбора различных комбинаций по числу сервоприводов и параметрам связей между осцилляторами, может быть задан тип системы управление: для робота-тунца с жестким корпусом и хвостовым плавником, либо для робота-щуки с гибким подвижным корпусом. На основе предложенных моделей путем задания макрокоманд было реализовано множество типов фазовых траекторий, соответствующих различным видам двигательной активности. С точки зрения имплементации алгоритмических решений на первом этапе проекта было разработано программное обеспечение для моделирования спайковых нейронных сетей (“нейросимулятор”) и программа, реализующая виртуальный робот-рыбу. Нейросимулятор позволяет в интерактивном режиме создавать сети спайковых нейронов с заданной архитектурой и производить расчет всех необходимых фазовых переменных модели. С помощью созданных на первом этапе конфигурационных файлов для моделей робота-тунца и робота-щуки, выполняется визуализация виртуального робота. В динамике имитируются 3D-движения корпуса реального робота-рыбы. Характер движения сочленений робота определяется либо командами пользователя через графический интерфейс, либо командами, поступающими по сетевому протоколу. Учитывая дальнейшие перспективы проекта, а именно - управление сигналами нейронных сетей реальными движителями (актуаторами) роботов-рыб, взаимодействие между нейросимулятором и виртуальным роботом было реализовано по клиент-серверной архитектуре с использованием протокола TCP/IP. В зависимости от конкретных задач, решаемых на разных стадиях проекта, сервер и клиент могут работать как в рамках одного персонального, либо бортового компьютера, так и на разных, объединенных в сеть проводной или беспроводной связью. Развитием модели ЦГР явилась система на основе спайковых нейронов, состоящая из сегментов – двух полуцентров, каждый из которых включает возбуждающий и тормозный нейрон. В модели была реализована специализированная топология связей и способ взаимного торможения полуцентров. Была предложена схема сопряжения нейронной активности управляющего контура робота-рыбы с движением корпуса, при котором шарнир поворачивается на угол, пропорциональный уровню выходного синаптического сигнала соответствующего мотонейрона. Была наглядно продемонстрирована работоспособность системы с использованием виртуального робота-тунца. Была изучена перспективная задача по исследованию возможности самоорганизации ЦГР на основе формирования замкнутых нейронных контуров в сети с пластичными связями. Серия симуляций активности в модульных сетях с одно- и двунаправленными связями выявили усиление связей, приводящее к циркулирующей динамике, в первом случае, и разнообразные динамические паттерны нейронной активности во втором. Данный результат очень важен с точки зрения продолжения работ в этом направлении. На следующих этапах планируется исследовать возможность контроля процессов самоорганизации ЦГР в модульных сетях с двунаправленными пластичными связями за счет стимуляции отдельных подсетей сенсорным сигналом, зависящим от взаимного расположения сегментов корпуса робота-рыбы. В рамках разработки базовой вычислительной модели биомеханического движения робота с изменяемой геометрией (колебания хвоста, сгиб тела) в водной среде применялся пакет Ansys, реализующий универсальную программную систему конечно-элементного анализа. Была реализована модель с применением двух взаимодействующих модулей расчетов Ansys: “прочностного” и “вычислительная гидродинамика”; моделировалось синусоидальное движение пластины. Работоспособность данного подхода подтвердилась при реализации упрощенной 3D-модели робота-тунца. Полученная модель позволяет исследовать связь геометрических и физических характеристик модели, скорость ее движения в среде. Для построения вычислительной модели биомеханического движения робота было проведено исследование кинематики плавания. Данные о динамике положения и изгиба средней линии были использованы для построения упрощенной модели движения робота-рыбы, потенциально применимой в дальнейшем для испытания физического макета. Были получены значения коэффициентов управляющих команд, которые нужно посылать на сервоприводы испытательного макета, для реализации биоморфного движения. Полученные и обработанные видеоданные позволили верифицировать модель, построенную на основе литературных источников, на реальных движениях рыб. В рамках первого года проекта был разработан технический облик роботов двух типов. Робот-тунец будет использовать тунниформный тип плавания, при котором амплитуда колебаний возрастает при движении от головы к хвосту. Головная часть спроектирована твердой и герметичной, в ней будет размещаться вся электроника: система управления, электропитания, приводы движителей, система связи, датчики. Гибкая хвостовая часть за счет деформации должна обеспечивать поступательное движение вдоль оси симметрии. Хвостовая часть состоит из механизмов, формирующих попеременный изгиб упругой пластины и силиконовый кожух, повторяющий контур хвоста рыбы. Во избежание деформации хвостовой части, она спроектирована негерметичной. На этапе прототипирования и испытаний жесткий корпус предполагается изготавливать из пластика методом 3D печати. Большая часть элементной базы биоморфного хвостового движителя с тросовой передачей находится в водной среде. Использование сервопривода позволяет создавать большое усилие и обеспечивает легкость управления движителем. Тросовая передача обеспечивает перевод вращательных движений в возвратно-поступательные движения тросов, которые передают движения зацепам, закрепленным на гибкой пластине. Пластина изгибается, ее конец совершает реверсивные движения по дуговым (криволинейным) траекториям. На конце пластины закреплен подпружиненный шарнир, который, изгибаясь, передает движение хвостовому плавнику. Сложные траектории гибкого плавника обеспечивают биоморфность, а следовательно и высокую эффективность передвижения в вязкой среде. Для настройки параметров движения хвостового плавника с целью приближения к естественной биомеханике рыб могут варьироваться следующие параметры: упругость подпружиненного шарнира; упругость и форма гибкой пластины; размеры, форма и упругость самого хвостового плавника. В качестве аппаратной реализации был предложен прототип хвостового движителя на электромагнитах. Реализованная схема управления позволяет осуществлять работу движителя в 4-х режимах. Продемонстрирована работоспособность созданной схемы, в дальнейшем на вход системы электромагнитов планируется подавать управляющие сигналы нейроморфного ЦГР. Архитектура робота-щуки с карангиформным типом плавания предполагает компоновку бортовых систем в гибком корпусе, в котором будет располагаться ряд электромагнитных движителей, аналогичных вышеупомянутому для робота-тунца. Также предусмотрен герметичный отсек для размещения системы управления и питания. В процессе изготовления предварительных макетов было показано, что наиболее функциональным является каркас с гибким материалом, натянутым поверх него. Это решение позволило создать внутри каркаса полезный объем для размещения движителей. Анализ потенциально применимых материалов для создания робота-щуки выявил наилучшее соответствие требованиям полиэтилентерефталат-гликоля (ПЕТГ). Ребра каркаса и герметичные отсеки в носовой и хвостовой частей хвоста будет выполняться из того же материала что и гибкая основа. Реализация предложенной архитектуры в виде ходового макета будет осуществляться на следующих этапах проекта. Коллективом проекта было разработано несколько стендов для последующих испытаний макетов биоморфного робота-рыбы. Разработанные стенды в основном ориентированы на изучение моторных паттернов (кинематических параметров движения и тяговых характеристик макета) с целью последующего сопоставления с биологическими прототипами. Было предложено две конфигурации стенда для изучения кинематических свойств макета. Первый вариант представляет собой бассейн, по бортам которого закреплены линейные моторизованные направляющие с кареткой с видеокамерой. В результате обработки полученного видеоматериала могут рассчитываться: скорость поступательного движения робота, реальные амплитуда и частота взмахов хвостового движителя. По числовым координатам строится цифровая кинематическая модель движения, которая используется в качестве исходных данных для гидродинамических расчетов методом конечных элементах в среде Ansys. Для обеспечения возможности проведения длительных ходовых испытаний движителя в лабораторных условиях, была выбрана схема с неподвижным роботом в набегающем потоке воды, реализованная с помощью «гравитационного» стенда. Вода из напорного бака самотеком поступает в прозрачную трубу прямоугольного сечения, в которой располагается испытательный участок с движущимся роботом, и далее сбрасывается в дренажный бассейн, откуда при помощи насосов подается обратно в напорный бак. С целью оценки ожидаемых параметров потока в рабочем участке было выполнено гидравлическое моделирование. Как и в случае с испытательным бассейном, движения робота фиксируются высокоскоростной камерой, а на дно прозрачной трубы помещается размеченная пластина, относительно которой определяются смещения маркеров, установленных на корпусе робота. Наряду с определением кинематических параметров важной характеристикой, определяющей эффективность движителя биоморфного робота, является величина тяги, которую он может развить. Разработан стенд, предназначенный для определения тяговых характеристик. Тяговые характеристики движителя в разных режимах работы определяется по растяжению эластичной ленты-фиксатора. Значение смещения фиксируется при помощи камеры и размеченной пластины. Для исключения влияния волн, отраженных от стенок испытательного бассейна применяются решетки, размещенные на стенках испытательного бассейна. Исходя из вышеперечисленных результатов, полученных в рамках выполнения первого этапа проекта, можно заключить, что коллективом исполнителей решены все поставленные задачи. Результаты соответствуют высокому научному и техническому уровню и отвечают всем требованиям проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект посвящен разработке биоморфного робота-рыбы с системой управления, включающей нейронные центральные генераторы ритма – ЦГР. В проекте разрабатываются модели робота двух типов: "Тунец" и "Щука", с тунниформным и карангиформным типом плавания соответственно. Исследованы характеристики модели ЦГР на основе фазовых осцилляторов. Модель представляет собой одномерный ансамбль фазовых осцилляторов, симулирующих цепочку спинномозговых колебательных центров. Преимуществом предложенной модели ЦГР является способ задания высокоуровневых команд, позволяющий в реальном времени менять режимы плавания робота-рыбы. Было рассмотрено несколько вариантов переключения между режимами работы ЦГР: (i) линейно, (ii) по синусоиде и (iii) по логистической кривой с различной крутизной. Для оценки каждого из перечисленных способов было выполнено моделирование, принимая во внимание ограничения, накладываемые актуаторами (оценивалась вторая производная углов актуаторов). Показано, что наименьшие пертурбации осцилляций ЦГР наблюдались при линейном переключении. Далее рассмотрено влияние длительности интервала перехода. Показано, что при превышении длительности переходного периода определенного оптимального значения степень гладкости кривых больше не увеличивается. Для использованных параметров модели ЦГР его значение составило 0,012 с. Этот оптимальный интервал переходного периода обеспечивает роботу-рыбе оперативность реакции на смену параметров плавания. Доработана предложенная ранее модель ЦГР на спайковых нейронах. В модель добавлены тормозные интернейроны, отвечающие за внутреннюю регуляцию работы каждого отдельного узла генератора. Это позволяет регулировать фазовую задержку активации нейронов различных полуцентров, для обеспечения карангиформного типа плавания. Всего было рассмотрено 3 варианта: уменьшение скорости передачи сигнала, увеличение длины синаптической связи и за счет применения цепочек интернейронов. В последнем случае задержка передачи сигнала определяется совокупными синаптическим задержками на всем пути его распространения. Дальнейшее развитие ЦГР на спайковых нейронах получило в разработке модульных нейронных сетей. Реализован вариант сети из четырех сегментов, соединенных двунаправленными связями. Моделирование показало возможность формирования следующих паттернов: циркулирующая активность в одном направлении (по/против часовой стрелке), циркулирующая активность в обоих направлениях, с распространением активности из одной подсети на две остальные без циркуляции. Выполнена проверка возможности принудительного переключения режима работы самоорганизующихся ЦГР при периодическом внешнем воздействии. Показано, что стимуляция ведет к образованию единичных паттернов необходимой формы. Выполнено моделирование биомеханического движения робота в водной среде. В ходе работы использовалось адаптивное перестроение сеток. Виртуальное пространство представляется двумя сетками, одна из которых делит область, окружающую робот, и перестраивается в ответ на совершение им колебаний хвоста, другая – моделирует удаленные от него участки. Моделируемый объект представлял собой упрощенный вариант робота, передняя часть которого копирует тело тунца, а в качестве задней части используется упругая балка прямоугольного сечения с закрепленным на конце хвостовым плавником. Деформация упругой балки в модели описывалась формулой дуги окружности, а при небольших амплитудах – формулой параболы. Были проведены серии расчетов плавания робота с различными параметрами деформации хвостового плавника. Показано, что установившаяся поступательная скорость линейно зависит от частоты и амплитуды, что согласуется с теоретическими и экспериментальными данными, опубликованными для других роботов-рыб. Далее был изготовлен и протестирован ходовой макет №1. Как и в компьютерной симуляции робот состоял из двух сегментов: жёсткого корпуса и движителя. Движитель состоял из сервопривода, закрепленного в корпусе робота, гибкой пластины и хвостового плавника. Для придания дополнительной степени свободы хвостовой плавник крепился на подпружиненном шарнире. В условиях свободного плавания макет №1 продемонстрировал качественное совпадение с результатами компьютерного моделирования, и экспериментальными данными, полученными на живом тунце (видео плавания робота в трех режимах частоты биения хвоста https://www.mdpi.com/article/10.3390/biomimetics7040215/s1). Макет №1 показал линейную зависимость скорости движения от амплитуды и частоты биения хвоста. Однако, в случае с реальным роботом, зависимость от амплитуды демонстрировала перелом на значении амплитуды биений хвоста около 50 мм. Это можно объяснить особенностями как конструкции конкретного макета, так и экспериментальных условий. Максимальная скорость робота, достигнутая при частоте колебаний 3.4 Гц, составила 0.4 корп./с. Выполнена экспериментальная оценка энергоэффективности (cost of transport, COT). Обнаружено, что для фиксированных частот существует интервал энергетически предпочтительных скоростей движения. Движение с более высокой скоростью также было возможно, но оказалось более энергозатратным. Следующим шагом был изготовлен и протестирован ходовой макет №2. Жёсткая часть корпуса робота выполнена из пластика, а хвостовая часть – из силикона. Движитель включает в себя цепочку из подвешенных друг на друге звеньев – сегментов косозубых шестерён. Поворот одного звена влечёт за собой поворот на такой же угол всех остальных звеньев, относительно предыдущего звена. Всего используется 4 звена, хотя, при необходимости, устройство механизма позволяет увеличивать их количество. Макет №2 продемонстрировал максимальную скорость 0.4 корп./с, что совпало с максимальной скоростью макета №1. Однако при этом частота биений хвоста у робота №2 составила 0.96 Гц против частоты 3.4 Гц у робота №1. Таким образом, данный макет, на наш взгляд, обладает большим потенциалом и будет использоваться далее в исследованиях оптимальных режимов плавания с точки зрения скорости и энергоэффективности. Робот-щука (макет №3) был реализован на основе движителя, состоящего из гибкой пластины с шестью магнитными секциями. Каждая включает в себя два электромагнита, работающих в противофазе и один постоянный магнит, закрепленный между ними. С каждой стороны пластины закреплено по 3 магнитных секции. Реализованный блок управления движителем обеспечивает колебания пластины с регулируемыми частотой и фазовым сдвигом. Для обеспечения карангиформного типа плавания фазовый сдвиг включения каждой секции относительно предыдущей составил Пи/2 рад. При работе в таком режиме наблюдался S-образный изгиб пластины, характерный для щуки. Испытания в воде выявили относительно низкую скорость плавания – менее 0,1 корп./с, что объясняется низкой амплитудой колебаний корпуса и хвоста робота-щуки. Для преодоления данной проблемы было предложено 2 возможных решения с многозвенным конструктивом – на основе втягивающих магнитов-соленоидов и тяг. Последнее решение на настоящий момент реализовано в виде работающего движителя, способного демонстрировать S- и С-образный изгиб большой амплитуды. Для предложенных ходовых макетов был разработан общий алгоритм контроля (навигации), обеспечивающий скоординированную работу отделов биоморфного подводного робота. Алгоритм включает в себя следующие шаги. Первоначально задается управляющая команда, описывающая требуемое положение робота. Затем блок управления опрашивает блок сенсоров и определяет текущее положение робота. Далее блок управления определяет команды, которые нужно подать на исполнительные устройства для изменения положения робота. После описанной фазы инициации робот начинает движение. В процессе движения происходит периодический опрос блока сенсоров для корректировки текущего положения робота. Таким образом, все поставленные на второй год проекта научные и технические задачи были успешно решены, что дает основание утверждать об успешном развитии проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На предыдущих этапах проекта были представлены два ходовых макета “робота-тунца” (макет №1 и №2) и макет “робота-щуки” (макет №3). Режим плавания с максимальной скоростью макета №1 оказался чрезвычайно энергозатратным по «стоимости транспорта» СОТ. Ходовой макет №2 продемонстрировал такую же максимальную скорость, как и макет №1, но при меньшей частоте колебаний хвоста. В отчетном периоде в результате моделирования биомеханического движения робота в водной среде были получены геометрические параметры, обеспечивающие оптимальное энергопотребление и максимальную скорость поступательного движения. В частности, было показано, что поступательную скорость робота можно увеличить при использовании максимально возможной частоты колебаний хвоста, а также увеличив длину хвостовой пластины и размер хвостового плавника. Также моделирование биомеханического движения показало, что турбулентные зоны за роботом-рыбой №1 заметно повышают сопротивление ввиду конструктивных особенностей усеченного корпуса. Учитывая результаты численного моделирования был разработан и изготовлен ходовой макет робота-рыбы №4, характеризующийся иными геометрическими размерами упругой пластины и хвостового плавника, а также более обтекаемой задней частью корпуса. Для увеличения частоты колебаний хвоста был использован маховик увеличенного диаметра. Экспериментальные замеры выявили существенное преимущество ходового макета №4 при сравнении полученного диапазона скоростей с демонстрируемым роботами-рыбами без упрощения хвостовой части. Значение стоимости транспорта СОТ в режиме максимальной скорости у макета №4 лежит в диапазоне, характерном для живых тунцов. Кроме того, оно соответствует значениям для наиболее энергоэффективных роботов-рыб. Необходимо также отметить, что максимальная относительная энергоэффективность для макета №4, в отличие от макета №1 была получена в режиме максимальной скорости. Однако абсолютное энергопотребление и нагрузки на движущиеся элементы робота при этом возрастают. В связи с этим вопрос оптимальной скорости должен отталкиваться от параметров емкости аккумуляторов, требований по автономности работы и запаса прочности элементов движителя. В отчетном периоде в ходовом макете робота-рыбы №2 были реализованы анизохронные режимы. В частности, в контроллере робота было запрограммировано 4 режима движения хвостовым плавником. Контрольный изохронный режим R1, в котором скорости движения хвоста в подготовительной и рабочей фазе одинаковы. Анизохронные режимы R2 и R3 со скоростью движения хвоста в подготовительной фазе в 2 и в 4 раза медленнее, чем в рабочей. Инверсный анизохронный режим R4, в котором скорость движения хвоста в подготовительной фазе в 2 раза быстрее, чем в рабочей. Полученные при экспериментальном тестировании робота данные демонстрируют значительное увеличение скорости в анизохронных режимах R2, R3 и уменьшение в инверсном анизохронном режиме R4 относительно контроля R1. Используя экспериментально полученные результаты энергопотребления и установившихся скоростей для разных режимов были рассчитаны значения относительной энергоэффективности, выраженные в COT. Анизохронный режим R3 характеризовался минимальным значением СОТ (максимальная энергоэффективность), инверсный анизохронный режим R4 оказался наименее энергоэффективным. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования динамики и энергопотребления робота-рыбы показали, что в анизохронном режиме, характеризующимся высокой скоростью движения хвостового плавника в рабочей фазе и низкой в подготовительной, увеличивается начальное ускорение, установившаяся скорость и относительная энергоэффективность робота. Сравнивая по стоимости транспорта ходовой макет №2 с самыми энергоэффективными роботами-рыбами, предложенными ранее, можно отметить, что его СОТ также, как и СОТ макета №4 успешно конкурирует с мировыми аналогами. Для управления движителями робота-рыбы были разработаны и исследованы две модели центральных генераторов ритма. Обе модели были построены на основе спайковых нейронов Ижикевича, однако включали в себя различные по своим параметрам нейроны. В результате моделирования были получены паттерны активности, обеспечивающие изменение скорости работы движителя и направление поступательного движения робота. Модель ЦГР 1 продемонстрировала возможность более гибкого воздействия на частотные характеристики работы односегментного движителя. Это обусловило её реализацию в бортовом микроконтроллере Arduino в ходовом макете. Робот, управляемый нейронной сетью Модели ЦГР 1 продемонстрировал возможность совершать три типа движения при имитации внешнего сенсорного сигнала: движение прямо, поворот налево, поворот направо. Преимуществом Модели ЦГР 2 является возможность подключения многосегментных роботов. С применением многосегментного движителя показана работоспособность Модели ЦГР 2. Также была исследована возможность повышения надежности управляющей нейронной сети за счет процессов нейрональной пластичности. При использовании методики индукции ЦГР с циркулирующей активностью на основе модульной спайковой сети и протокола оценки надежности сетевой памяти по векторному полю синаптических связей было показано значительное повышение надежности памяти у ЦГР на основе модульной нейронной сети при включении структурной пластичности с заменой слабых синаптических связей. За отчетный период были реализованы и протестированы два механизма управления глубиной, предложенные в проекте ранее. Первый механизм основан на управлении углом атаки при повороте грудных плавников при поступательном движении робота. Механизм, обеспечивающий поворот плавников, был реализован в ходовом макете робота-рыбы №4. Экспериментальное тестирование показало работоспособность данного решения. Второй реализованный механизм управления глубиной был разработан на основе балластной цистерны. Данный механизм управления глубиной погружения был испытан и продемонстрировал достаточную для макета робота-рыбы №4 способность изменять плавучесть. Помимо заявленных на заключительный этап проекта задач, также был разработан программно-аппаратный комплекс подводной связи на основе акустической связи, который планируется использовать в будущих моделях роботов-рыб. Для управления роботом-рыбой была реализована масштабируемая система управления, обеспечивающая функционирование всех предложенных систем и модулей. Система включает искусственные ЦГР, реализованные в виде программного модуля, работающего на бортовом микроконтроллере Arduino, возможность внешнего управления через канал радиосвязи и имитацию сенсорных входных стимулов, подающихся на вход искусственных ЦГР. Реализована возможность управления движением робота в трехмерном пространстве, в частности осуществления поворотов и изменения глубины. Кроме того, система готова для решений задач будущих исследований: обработки реальных сенсорных сигналов искусственной ЦГР, реализации управления посредством ЦГР несимметричных по отношению к гидравлическому сопротивлению режимов работы движителя, использования акустического канала связи как в режимах человек-робот, так и робот-робот.