Kursplan för Bioinspirerade mikrosimmare: design, styrning och morfande strukturer

Kursplan fastställd 2026-03-16 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnBio-inspired microswimmers: Design, control and morphing structures
  • KurskodTRA540
  • Omfattning7,5 Högskolepoäng
  • ÄgareTRACKS
  • UtbildningsnivåAvancerad nivå
  • InstitutionTRACKS
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk

    Engelska

  • Anmälningskod

    97195

  • Max antal deltagare

    30 (minst 10% av platserna reserveras för utbytesstudenter)

  • Min. antal deltagare

    8

  • Sökbar för utbytesstudenter

    Ja

Poängfördelning

Modul
LP1
LP2
LP3
LP4
Sommar
Ej LP
Tentamensdatum
0126 Projekt 7,5 hp
Betygsskala: TH		3,8 hp3,7 hp

I program

Examinator

Behörighet

Grundläggande behörighet för avancerad nivå
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från kravet

Särskild behörighet

Engelska 6
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från kravet

Kursspecifika förkunskaper

Förutom de allmänna förkunskaperna för att studera på avancerad nivå vid Chalmers, måste studenten säkerställa att nödvändiga kompetenser innehas eller inhämtas under kursens gång. Examinator formulerar och kontrollerar dessa kompetenser.

Kunskaper inom minst ett av följande områden: maskinteknik, elektroteknik, reglerteknik eller tillämpad fysik. Grundläggande färdigheter i CAD (t.ex. SolidWorks) eller programmering (Python/MATLAB) rekommenderas starkt. Erfarenhet av laborativt arbete är meriterande.

Syfte

Kursens syfte är att utgöra en plattform för att arbeta med och lösa utmaningsdrivna tvärvetenskapliga autentiska problem från olika delar av samhället såsom akademin, industri och offentlig sektor. Syftet är också att studenter från olika program arbetar tillsammans och tränar på att fungera effektivt i mångdisciplinära utvecklingsteam.

Kursen syftar till att erbjuda en plattform för att lösa interdisciplinära problem inom bioinspirerad undervattensrobotik. Med fokus på "Flapping Soft-Fin Microswimmers" (FSFM) tränar studenterna på att arbeta i multidisciplinära team för att designa, simulera och bygga funktionella mikrosimmare. Studenterna lär sig att integrera komplexa fluid-struktur-interaktioner, mjuka morfande material och AI-baserade autonoma styrsystem för att möta autentiska utmaningar inom marin övervakning och den blå ekonomin.

Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

  • kritiskt och kreativt identifiera och/eller formulera avancerade arkitektoniska eller tekniska problem
  • bemästra problem med öppna lösningsrymder. Detta innefattar att kunna hantera osäkerheter och begränsad information
  • leda och delta i utvecklingen av nya produkter, tjänster, processer och system med en helhetssyn genom att följa en systematisk designprocess och/eller en systematisk utvecklingsprocess
  • muntligt och skriftligt på engelska förklara och diskutera information, problem, metoder, processer samt lösningar som använts eller utvecklats
  • förklara grundläggande principer för undervattensframdrivning, inklusive dimensionslösa tal såsom Reynolds- och Strouhal-tal.
  • designa och syntetisera en morfande mjukfensmekanism som balanserar strukturell flexibilitet och propulsiv effektivitet.
  • konstruera en funktionell, handflatsstor mikrosimmarprototyp med hjälp av FUSE-labbet och Marintekniska laboratoriet.
  • utvärdera och jämföra prestanda hos konventionella PID-regulatorer med maskininlärningsbaserade (ML/DRL) styrstrategier.
  • analysera experimentella data från vattenkanalförsök för att kvantifiera prestandaindikatorer såsom hastighet, manövrerbarhet och energiförbrukning.

Innehåll

Kursen behandlar gränssnittet mellan undervattensfarkoster, robotik, biologi och oceanografi genom utvecklingen av hela livscykeln för en Flapping Soft-Fin Microswimmer (FSFM). Centrala teman inkluderar biomimetisk framdrivning (fladdrande fenor), fysiken bakom morfande strukturer samt integration av vattentät elektronik.

Tekniska moment omfattar strömningsmekanik med numeriska metoder (CFD) och finita elementmetoden (FEA) för fluid-struktur-interaktion (FSI), djup förstärkningsinlärning (DRL) för autonom navigering samt tillverkning i mjuka material.

Studenterna arbetar inom områdena Lokomotion (koordinerad rörelse/AI), Framdrivning (fenmekanik), Sensorik (data/återkoppling) och Övervakning (tillämpning/oceandata) för att tillsammans leverera en flotta av funktionella mikrosimmare.

Organisation

Kursen drivs av ett lärarlag. Huvuddelen av kursen är ett utmaningsdrivet projekt. Utmaningen kan sträcka sig från att vara bred samhällelig till djup forskningsdriven. Projektuppgiften löses i grupp.

Projektarbetet kompletteras med undervisning och lärande av för projektet nödvändiga kompetenser. Projektgruppen har en projektspecifik examinator, handledare från Chalmers och beroende på projektuppgift, om tillämpligt, även externa bi-handledare.

Kursen organiseras kring en gemensam prototyp (FSFM) och tvärfunktionella projektteam, där olika utbildningsbakgrunder ses som en resurs.
  1. Teambildning baserad på bakgrund. Varje team om 2-5 personer sätts samman för att kombinera kompetenser (el/regler, energisystem, fluid-/fastmekanik, transport/system, fysik, testning). Teamen ansvarar för tydligt definierade delsystem (t.ex. mjukfensmekanism; aktivering & kraftförsörjning; sensorik & styrning; hydrodynamik/FSI & testning).
  2. Roll + skuggroll. Varje student har en primär roll (fördjupning inom huvudämnet) och en skuggroll (breddning inom närliggande område), vilket säkerställer både expertis och kunskapsöverföring.
  3. Rollfördelning (kan justeras vid behov):
    • Fluid-/fastmekanik: hydrodynamik & FSI-uppskattningar, grundläggande FE/CFD/FSI, last-/stabilitetskontroller, testdesign.
    • Elektroteknik: val av aktuator/drivsteg, energibudgetering, kablage/EMC, inbyggda system.
    • Regler/ML: grundläggande PID, enkel ML-baserad regulator, överföring från simulering till tanktest, prestanda-analys.
    • Material: mjuka höljen, följsamma gångjärn, tätning/limning, hållbarhet.
    • Energisystem: energianvändning, transportkostnad, effektivitetsavvägningar.
    • Transport/system: kravspecifikation, risk & säkerhet, verifieringsplan, integrationslogistik.
    • Testning: testplaner, mikrofon-/DAQ-uppställning, avvägningar mellan prestationsindikatorer, datakvalitet.
  4. Gränssnittsavtal. Varje team publicerar kortfattade gränssnittsavtal (geometri, effekt, signaler, data). Systemintegrationsworkshops genomförs för montering, gränssnittstester och samordnad problemlösning.
  5. Design-/simuleringskontroller före tillverkning. Teamen presenterar förstahandsprognoser (handberäkningar eller grundläggande simulering) samt en minimal testplan. Godkänd kontroll ger klartecken för byggfasen.
  6. Teach-backs, rollrotation och peer review. Veckovisa gemensamma möten inkluderar korta presentationer (10-15 min) för att översätta beslut mellan discipliner samt tvärgranskning av design. En halvtidsworkshop möjliggör insyn i en närliggande roll.
  7. Gemensamma prestationsmått:er och datamodell. Alla team testar mot samma kompakta prestationsindikator-uppsättning (t.ex. hastighet, svängradie/-hastighet, effekt) och loggar resultat i ett gemensamt format.
  8. Bedömning av fördjupning och integration. Bedömningskriterierna kombinerar (i) rollspecifika bidrag, (ii) kvalitet i systemintegration (gränssnitt, versionshantering, testunderlag) och (iii) tydlighet i tvärdisciplinär kommunikation i demonstration/rapport.

Denna organisation gör det möjligt för studenterna att fördjupa sig i sin egen bakgrund, bredda sig i angränsande områden och arbeta med verklig interdisciplinär ingenjörskonst från koncept till integrerad prototyp.

Veckoupplägg:
  • Föreläsningar: Ett 2-timmarspass per vecka som behandlar teoretiska grunder samt gästföreläsningar.
  • Gruppdynamik: Veckovisa interna diskussioner och samordningsmöten med lärarlaget.
  • Månadsvisa genomgångar: Tvärgruppsmöten ("Project Review Meetings") för att utbyta indata och resultat samt lösa tekniska gränssnitt mellan delsystem.
Du kommer att använda FUSE-labbet för tillverkning samt M2 Marine Technology Lab för slutlig provning i vattentank och validering av prestanda.

Kursen kombinerar:
  • Design och förenklad ingenjörsanalys (reduced-order-analys)
  • FSI-simuleringar på grundnivå
  • Implementering av inbyggd styrning (PID och ML-assisterade metoder)
  • Laboratorieprototypning och experiment i vattentank
  • Workshops för systemintegration
De slutliga leverablerna omfattar en fungerande prototyp, reproducerbara tekniska artefakter (CAD, kod, data), en kort teknisk rapport samt en muntlig presentation.

Litteratur

Med input från lärarlaget kommer studenterna att utveckla förmågan att identifiera och skaffa relevant litteratur genom hela sitt projekt.

Examination inklusive obligatoriska moment

Examination inklusive obligatoriska moment
I början av kursen ska varje grupp upprätta ett gruppkontrakt och en preliminär projektplan.
I slutet av kursen ska varje grupp lämna in en slutlig teknisk rapport som följer formatet för Chalmers krav på examensarbetsrapport, samt genomföra en muntlig presentation på 20 minuter (15 minuters presentation + 5 minuters frågor och svar).

Kursens examinator får examinera enstaka studenter på annat sätt än vad som anges ovan om särskilda skäl föreligger, till exempel om en student har ett beslut från Chalmers om riktat pedagogiskt stöd på grund av funktionsnedsättning.