Τετράποδη μετακίνηση μέσω ηλεκτροχημικών δικτύων. Μια ρομποτική εφαρμογή βασισμένη σε αυτόνομες ηλεκτροχημικές ταλαντώσεις

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της δυνατότητας δικτύων που αποτελούνται από ηλεκτροχημικούς ταλαντωτές, να λειτουργούν ως Γεννήτριες Κεντρικού Προτύπου (CPG). Οι Γεννήτριες Κεντρικού Προτύπου είναι νευροφυσιολογικά δίκτυα που παράγουν συγκεκριμένους ρυθμούς οι οποίοι καθορίζουν την κίνηση των έμβιων όντων. Προκειμένου να επιτευχθεί ο σκοπός αυτός διερευνήθηκε αρχικά η δυνατότητα ενός ηλεκτροχημικού συστήματος, αποτελούμενο από μια άνοδο σιδήρου και μια κάθοδο χαλκού εμβαπτισμένες σε ηλεκτρολυτικό διάλυμα θειικού οξέος και θειικού χαλκού, να φέρεται ως αυτόνομος ταλαντωτής. Οι ηλεκτροχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο σύστημα αυτό μελετήθηκαν με τις τεχνικές της γραμμικής ανοδικής πόλωσης, της ηλεκτροχημικής εμπέδησης και της χρονοαμπερομετρίας. Η δυναμική του συστήματος διερευνήθηκε θεωρώντας ως παράμετρο την εφαρμοζόμενη διαφορά δυναμικού μεταξύ των δυο ηλεκτροδίων. Ως μέσο μίμησης του CPG χρησιμοποιήθηκε ένα δίκτυο αποτελούμενο από τέσσερις ηλεκτροχημικούς ταλαντωτές του παραπάνω είδους. Το είδος της σύζευξης μεταξύ των ταλαντωτών καθορίζονταν από τη γεωμετρία του δικτύου δηλαδή τη σχετική θέση των ηλεκτροδίων. Η σύζευξη των ηλεκτροδίων είχε ως αποτέλεσμα τον συγχρονισμό της δυναμικής απόκρισης και τον διαχωρισμό των ταλαντωτών σε ομάδες. Η ηλεκτρική απόκριση του ηλεκτροχημικού δικτύου διαβιβάστηκε σε ένα ειδικά σχεδιασμένο ρομποτικό μηχανικό σύστημα. Ως αποτέλεσμα το ρομποτικό σύστημα είχε τη δυνατότητα να εκτελέσει τέσσερα είδη κίνησης: (α) καλπασμό (β) αναπήδηση (γ) βηματισμό τύπου Α και (δ) βηματισμό τύπου Β. Συμπερασματικά, απλά ηλεκτροχημικά δίκτυα αποτελούμενα από αυτόνομους ταλαντωτές έχουν τη δυνατότητα να λειτουργήσουν ως CPG και να καθορίσουν τη ρυθμική κίνηση απλών μηχανικών συστημάτων.

In the present work the modes of four-legged locomotion generated and controlled by a network of coupled electrochemical oscillatory electrode pairs are explored. Each pair, operating under constant potential conditions, consists of an iron disk (anode) and a copper coil (cathode) and all pairs are immersed in a commonelectrolytic bath (1 M H2SO4 and 0.4 M CuSO4). The electrochemistry of the system is studied and the conditions of oscillatory and synchronous firing are determined. The current response of each pair is determined by the geom-etry of the network: if the interactions are between the ironanodes then the oscillations are synchronized in-phase whereas if the interactions are between iron anodes and copper cathodes the oscillations are out-of-phase. The electric pulses produced by the network are supplied to a prototype, specially designed mechanical system where possible modes of four-legged locomotion are observed.