Design and Experiments with a Low-Cost Single-Motor Modular Aquatic Robot

We present a novel design for a low-cost robotic boat powered by a single actuator, useful for both modular and swarming applications. The boat uses the conservation of angular momentum and passive flippers to convert the motion of a single motor into an adjustable paddling motion for propulsion and steering. We develop design criteria for modularity and swarming and present a prototype implementing these criteria. We identify significant mechanical sensitivities with the presented design, theorize about the cause of the sensitivities, and present an improved design for future work.Comment: Accepted to the International Conference on Ubiquitous Robots (UR 2020). 8 page

Animal-Robot Interactions: Electrocommunication, Sensory Ecology, and Group Dynamics in a Mormyrid Weakly Electric Fish

Mormyrid weakly electric fish possess a specialized electrosensory system. During the process of active electrolocation, these animals perceive self-generated electric organ dis-charges (EOD) and are thereby able to detect objects in their nearby environment. The EOD is a short, biphasic pulse, which is simultaneously used to communicate with conspe-cifics. There are two principles according to which information exchange occurs during electrocommunication. The waveform of the EOD constitutes a relatively stable identity marker that signals species, gender, and status of an individual. In contrast, the temporal sequence of inter-discharge intervals (IDI) is highly variable and encodes context-specific information. Modifications of IDI-duration not only alter the instantaneous discharge fre-quency but also enable the generation of specific signaling patterns and interactive dis-charge sequences. One such interactive discharge behavior is the so-called echo response, during which a fish responds with a constant latency of only a few milliseconds to the EOD of a conspecific. Animals can synchronize their signaling sequences by mutually generating echoes to each other's signals over a coherent period. Although active electrolocation and electrocommunication are mediated by different types of electroreceptor organs and neural pathways, an unambiguous assignment of electromotor behavior to only one of the two functions is often problematic. In this thesis, the significance of IDI-based signaling sequences during motor and electro-motor interactions of the mormyrid fish Mormyrus rume proboscirostris were investigated. To this end, different electrical playback sequences of species-specific EODs were generated via mobile fish dummies, and the motor and electromotor responses of live fish were analyzed. In Part One of this thesis, electrocommunication strategies of the fish were analyzed, and particularly the functions of double pulses, discharge regularizations, and echo responses were examined in an adaptive context. Double pulses were classified as an aggressive mo-tivation signal, whereas regularizations may have a communicative function during the early stages of the sequential assessment of a potential opponent. In this context, discharge synchronization by means of echo responses may enable a mutual assessment for the net benefit of both contestants. Because echo responses occur in various behavioral contexts, and artificial echoes of the dummy evoked increased echoing by the fish, it was hypothesized that the echo response serves a more general purpose by enabling mutual allocation of social attention between two fish. In Part Two of this thesis, a biomimetic robotic fish was designed to investigate the senso-ry basis on which fish followed the dummy. It was shown that electrical playback signals induced following-behavior in live fish, whereas biomimetic motility patterns had no ef-fect. By subsequently reducing the mobile dummy to only the electric signaling sequence from the perspective of the fish, it could be shown that passive perception of electrical communication signals is also involved in mediating the spatial coordination of social in-teractions. This passive perception is likely mediated by the same electroreceptor organs that are used during electrocommunication. The EOD can therefore be considered to be an essential social stimulus that makes it possible to integrate a dummy into a group of weak-ly electric fish as an artificial conspecific. The influence of an interactively signaling mobile dummy fish on small groups of up to four individuals was investigated in Part Three of this thesis. Typical schooling behavior was a rare occurrence in this context. However, EOD-synchronizations through mutual echo responses between two fish, or between a fish and the interactive dummy, were fre-quently observed during social interactions in small groups. Motor interactions during synchronization episodes supported the hypothesis that mormyrids may use discharge synchronizations between individuals to allocate social attention, and the echo response may thus adopt a particularly useful function during communication in groups.Schwach elektrische Fisch aus der Familie der Mormyriden verfügen über ein spezialisier-tes elektrosensorisches Sinnessystem. In einem Prozess, der als aktive Elektroortung be-zeichnet wird, sind diese Tiere in der Lage, selbstgenerierte elektrische Organentladungen (EOD) wahrzunehmen, und dadurch Objekte in ihrer unmittelbaren Nähe zu detektieren. Das EOD ist ein kurzer bipolarer Puls, der gleichzeitig auch zur Kommunikation mit Artge-nossen dient. Informationsaustausch während der Elektrokommunikation basiert auf zwei verschiedenen Prinzipien: Die Wellenform des EOD stellt einen relativ konstanten Identi-tätsmarker dar, der beispielsweise Art, Geschlecht und Status eines Individuums signali-siert. Die zeitliche Abfolge der Intervalle zwischen den EODs ist hingegen höchst variabel und kodiert kontextspezifische Information. Durch Modifikation der Intervalldauer ändert sich nicht nur die Entladungsfrequenz, sondern es können auch spezifische Signalmuster und interaktive Entladungssequenzen generiert werden. Ein interaktives Entladungsver-halten stellt beispielsweise die Echoantwort dar, bei der ein Fisch mit einer konstanten Latenz von wenigen Millisekunden auf das EOD eines Artgenossen reagiert. Zwei Tiere können ihre Entladungssequenzen synchronisieren, indem sie ihre Signale über einen kohärenten Zeitraum gegenseitig mit Echos beantworten. Obwohl aktive Elektroortung und Elektrokommunikation über unterschiedliche Rezeptororgansysteme und neuronale Pfade vermittelt werden, ist eine eindeutige Zuordnung der elektromotorischen Verhal-tensäußerungen der Fische zu nur einer der beiden Funktionen oft problematisch. In der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung intervallbasierter EOD-Sequenzen für motorische und elektromotorische Interaktionen des Mormyriden Mormyrus rume proboscirostris erforscht. Hierzu wurden verschiedene elektrische Playbacksequenzen artspezifischer EODs generiert und durch mobile Fischattrappen wiedergegeben. Die mo-torischen und elektromotorischen Verhaltensreaktionen der Fische wurden analysiert. Im ersten Teil der Arbeit wurden Elektrokommunikationsstrategien der Fische analysiert und die adaptive Funktion insbesondere von Doppelpulsen, Entladungsregularisierungen und Echoantworten untersucht. Doppelpulse wurden als aggressives Motivationssignal kategorisiert, wohingegen die Kommunikationsfunktion von Regularisierungen im gegen-seitigen Einschätzen zu Beginn einer kompetitiven Begegnung zu liegen scheint. Entla-dungssynchronisation durch gegenseitige Echoantworten kann dabei eine Einschätzung des Gegenübers zum Vorteil beider Parteien erleichtern. Da Echoantworten in verschiede-nen Verhaltenssituationen auftreten und artifizielle Echoantworten der Attrappe vermehrt zu Echos vonseiten der Fische führten, wurde postuliert, dass die Echoantwort eine generellere Funktion bei der Fokussierung gegenseitiger sozialer Aufmerksamkeit über-nehmen kann. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein biomimetischer Fischroboter konstruiert, um zu untersuchen, auf welcher sensorischen Grundlage die Fische der Attrappe folgen. Es konnte gezeigt werden, dass elektrische Playbacksignale, nicht aber biomimetische Bewe-gungsmuster, Folgeverhalten der Fische induzieren. In einem weiteren Schritt konnte durch die Reduktion der Attrappe auf die elektrischen Signalsequenzen aus der Perspektive der Versuchsfische gezeigt werden, dass passive Wahrnehmung elektrischer Kommu-nikationssignale auch bei der räumlichen Koordination sozialer Interaktionen von Bedeu-tung ist. Dies wird mutmaßlich über die gleichen Rezeptororgane vermittelt, die auch für die Elektrokommunikation verantwortlich sind. Das EOD kann daher als ein soziales Signal betrachtet werden, das es ermöglicht, eine Attrappe als künstlichen Artgenossen in eine Gruppe schwach elektrischer Fische zu integrieren. Der Einfluss einer elektrisch interaktiven mobilen Fischattrappe auf kleine Gruppen von bis zu vier Individuen wurde im dritten Teil der Arbeit getestet. Typisches Schwarmver-halten konnte in diesem Zusammenhang nur selten beobachtet werden. In kleinen Gruppen kam es während sozialer Interaktionen jedoch häufig zu EOD-Synchronisationen durch Echoantworten zwischen zwei Fischen, oder zwischen einem Fisch und der interaktiven Attrappe. Motorische Verhaltensinteraktionen im Zeitraum dieser Synchronisationen stützen die Hypothese, dass Mormyriden durch elektrische Entladungssynchronisation soziale Aufmerksamkeit zwischen Individuen herstellen können, und die Echoantwort somit besonders in Gruppen eine nützliche Kommunikationsfunktion übernehmen kann

Development of a formation control algorithm to coordinate multiple biomimetic AUVs in the presence of realistic environmental constraints

Biomimetic Autonomous Underwater Vehicles (BAUVs) are a class of Uncrewed Underwater Vehicle (UUV) that mimic the propulsive and steering mechanisms of real fish. However, as with all UUVs, the range and endurance of these vehicles remains limited by the finite energy source housed on board the vehicle. Unsurprisingly, a consequence of this finite energy source is that BAUVs/UUVs are incapable of completing the large-scale oceanographic sampling missions required to drastically improve our understanding of the Earth’s oceans and its processes. To overcome this limitation, this thesis aims to investigate the feasibility of deploying a self-coordinating group of BAUVs capable of completing the aforementioned oceanic surveying missions despite the constraints of the local operating environment. To achieve this, the work presented in this thesis can be separated into four distinct parts. The first of which is the development of a suitable mathematical model that accurately models the dynamics of the RoboSalmon BAUV designed and built at the University of Glasgow. As well as ensuring the models validity, its ability to efficiently simulate multiple vehicles simultaneously is also demonstrated. The design and implementation of the formation control algorithm used to coordinate the vehicles is then presented. This process describes the alterations made to a biologically-inspired algorithm to ensure the required parallel line formation required for efficient oceanic sampling can be generated. Thereafter, the implementation of a realistic representation of the underwater communication channel and its debilitating effect on the algorithms ability to coordinate the vehicles as required is presented. The thesis then describes the incorporation of two methodologies designed specifically to overcome the limitations associated with the underwater communication channel. The first of which involves the implementation of tracking/predictive functionality while the second is a consensus based algorithm that aims to reduce the algorithms reliance on the communication channel. The robustness of these two methodologies to overcoming not only the problematic communication channel but also the inclusion of additional external disturbances is then presented. The results demonstrate that while the tracking/predictive functionality can overcome the problems associated with the communication channel, its efficiency significantly reduces when the external disturbances are taken into consideration. The consensus based methodology meanwhile generates the required formation regardless of the constraints imposed by both the communication channel and the additional external disturbances and therefore provides the more robust solution