ربات حشره ای

ربات حشره ای

ربات حشره ای

طبیعت همیشه الهام بخش ترین عناصر را در دل خود پرورش داده است. مهندسان نیز در هر صنعتی که باشند از این داده های طبیعی برای ساخت وسایل گوناگون استفاده می کنند. در دنیای رباتیک نیز دسته ای از ربات ها موسوم به ربات های بیومتریک یا بیومیمتیک وجود دارند که الگویشان گیاهان و حیوانات است. در این بین یکی از قابل توجه ترین ربات های بیومتریک، ربات های حشره ای می باشند.

برای اولین بار در سال 2013 بود که ایده ربات های حشره مانند در دانشگاه هاروارد عملی شد و پروسه ساخت آن به انجام رسید. تیم راب وود و تیم تحقیقاتیش موفق به ساخت ربات های 80 میلی گرمی شدند که پرواز حشرات را تقلید می کنند. ربات های مذکور دستوراتی اعم از گرفتن نیرو و پرواز کردن را از طریق اتصال به سیم دریافت می کنند. البته نسخه های جدیدتر این ربات ها دارای استقلال بیشتری هستند و به صورت بی سیم دستورات را از فرستنده می گیرند.

تاریخچه ساخت ربات حشره ای

نیک گراویش، مهندس بیومکانیک از دانشگاه کالیفرنیا می گوید: "سخت است حیوانات را مجبور به انجام کار خاصی کنید. مثلا اگر می خواهید بفهمید که حرکت بال ها چه نیروی خاصی برای بالا رفتن ارائه میدهد، نمی توانید از یک حیوان سوال بپرسید." به همین دلیل، محققان به مدل های رباتیکی حشرات روی آورده اند.

برای مثال یکی از سوالات اساسی این بود که چرا حشرات بدون حرکت رو به جلو یا عقب در هوا معلق میمانند؟

بینش های کلیدی که استدلالی برای این موضوع پیدا نمود، در سال 1990 توسط نمایش های رباتیک حشرات حاصل شد. حشرات رباتیکی موسوم به Robofly از آزمایشگاه دیکینسون و ربات Flapper که توسط چارلی الینگتون از دانشگاه کمبریج انگلستان ساخته شد وسیله ای برای انجام آزمایش های متعدد شدند.

این مدل های مکانیکی بسیار بزرگتر از اندازه واقعی حشرات واقعی بودند، با این حال محققان از ترفندهایی برای ساخت صحنه پرواز آن ها استفاده کردند تا پاسخی برای سوالات خود بیابند. به عنوان مثال، ربات Robofly برای پرواز در آسمان ساخته نشده بود! بلکه در روغن معدنی کار می کرد تا چگونگی جریان پیدا کردن مایع بعد از هربار بال زدن به چشم دیده شود. تیم تحقیقاتی سرعت بال های ربات را کم می کردند تا حرکت مایع روغنی مشخص تر باشد.

چرا حشرات؟؟

مسلما جذابیتی که مختراعان را به سمت الگوبرداری از حشرات کشانده است به چشم ما نیامده بوده. اما چه چیز متمایزی در حشرات وجود دارد؟؟

برای مثال نگاهی به سیستم حرکتی مگس های میوه خوار بیندازیم. شاید جثه ای کوچک داشته باشند، اما همین بدن ظریف کارهای بزرگی انجام میدهد! این حشرات ریز می توانند عضلات بال هایشان را با سرعت 200 بار در ثانیه در هوا بچرخانند! به این معنا که یکی از سریعترین عضلات کره زمین متعلق به مگس های میوه خوار است. همچنین می توان به توانایی آن ها در واکنش سریع به خطراتی که از طرف شکارچی پیش می آید هم اشاره نمود.

در نهایت پرواز حشرات، پیروزی طبیعت نسبت به خطر و مسائل بسیار پیچیده محسوب می شود؛ از این رو جذابیت بسیار زیادی دارد. به گفته زیست شناس برتر مایکل دیکینسون از انستیتوی فناوری کالیفرنیا "پرواز کردن دشوار است و به گونه ای انجام می شود که همه اندام ها را تحت فشار قرار می دهد."  در نتیجه حیوانات در حال پرواز (اعم از حشرات و پرندگان) برای تنفس کردن به عضلاتی قدرتمند نیاز دارند. آنها همچنین به سیستم های بینایی سریع و قابلیت های حسگری منحصر به فرد نیازمندند.

در نتیجه الگو برداری از حشرات برای ساخت ربات پاسخ سوالات زیادی را به ما می دهد...

شنا در هوا!

تلاش های اولیه برای درک پرواز حشرات شروع بدی داشت. محاسباتی که بیش از 80 سال پیش انجام شده نشان داده بود که پرواز به سبک حشرات عملی غیرممکن است. چرا که بال های حشرات بسیار کوچک است و نسبت به اندازه بدنیشان سرعت پایینی دارد، در نتیجه نیروی کافی برای به حرکت درآمدن تولید نمی شود. اما این تنها یک استدلال غلط بود.

این تفکر اشتباه از جایی پدید آمد که تصور می شد اصول آیرودینامیکی هواپیماها و پرندگان در مورد زنبورها و مگس ها اعمال می شود، در حالی که حشرات از یک استراتژی پرواز کاملاً منحصر به فرد استفاده می کنند.

حرکتی که حشرات برای پرواز کردن استفاده می کنند شبیه به شنا کردن یا پاشیدن آب است. حشرات به جای اینکه مانند یک پرنده بال هایشان را به بالا و پایین حرکت بدهند، بال های خود را به سمت جلو و عقب حرکت تکان می دهند.

 در طول حرکت به جلو، بال ها با توجه به سطح افقی در حدود 45 درجه کج می شوند. این کار به هوا تا جایی که یک نیروی رو به بالا یا بالابرنده را به حشره وارد کند فشار می آورد. حال در طول حرکت عقب، بال ها تا 135 درجه چرخانده می شوند تا همچنان به هوا فشار آورده و بلند شوند. این درحالی است که برای یک هواپیما، شیب بال زیاد فاجعه به بار می آورد و اگر برای ساخت هواپیما از حشرات الگو برداری می شد، یک اخترع ناموفق در تاریخ به ثبت می رسید.

نقش ربات ها در دنیای زیست شناسی

فلورین مویجرس، زیست شناس فعال از دانشگاه واگنینگن در هلند می گوید: "ربات ها در مطالعه آیرودینامیک ( به مطالعه چگونگی حرکت گازها آیرودینامیک گفته می شود) حشرات کمک بسیار بزرگی انجام دادند."

این کار اولیه ربات ها به ما کمک کرد تا توضیحی برای استراتژی پرواز منحصر به فرد حشرات داشته باشیم.

پس از گذر نمودن از دهه 90 میلادی، در اوایل سال 2000 که درک اولیه ای از پرواز حشرات ایجاد شده بود، مهندسان شروع به مطالعه یادداشت های زیست شناسان کردند تا ببینند آیا می توانند از برخی حقه های حشرات برای ساختن ربات در مقیاس بسیار کوچک (اندازه حشرات واقعی) استفاده کنند یا خیر.

به گفته دیکینسون: "حشرات به طرز مضحکی ناکارآمد هستند! آنها همه انرژی خود را صرف بال زدن می کنند و همین باعث می شود همیشه گرسنه باشند." شاید جای تعجب باشد که چرا از چنین موجود ناکارآمدی تقلید می کنیم؟! بهتر نیست که همان وسایل مکانیکی ساخته شده را در مقیاس های کوچکتر بسازیم؟؟

 مهندس رباتیک، ساویر فولر از دانشگاه واشنگتن (UW) سیاتل معتقد است فیزیک هر ربات همراه با مقیاس آن تغییر می کند و شاید نتیجه کار متفاوت از هدفی که در سر داریم از آب در بیاید. عقیده این مهندس به مثالی که در متن فوق زدیم بازمیگردد. همان طور که گفته شد، پرندگان و حشرات هر دو پرواز می کنند اما پس از فرا گرفتن اطلاعات دهه 90 میلادی متوجه شدیم مکانیزم پرواز این دو جاندار تفاوت های بسیاری با یکدیگر دارند.

موتورهای الکتریکی چرخشی (موتور استفاده شده برای بالگردهای هلکوپتری) نیز برای ربات های بزرگ بسیار عالی عمل می کنند، اما با کوچک شدن اندازه ربات به دلیل اصطکاک چرخشی در یاتاقان ها و از دست دادن گرما در سیم پیچ های مغناطیسی، کارایی کمتری دارند. بنابراین فولر و دیگر رباتیک کاران با استفاده از محرک های پیزوالکتریک که نیرویی به عقب و جلو تولید می کنند  مکانیزمی شبیه به عملکرد پرتاب حشرات را ابداع کردند.

منطقی است اگر بگوییم پروژه های گوناگون در دنیای علم و فناوری با تقلید از زیست شناسی شروع شده اند. چرا که در پایان کار همیشه نتیجه ای مطلوب به دست آمده است.



مطالب زیر را حتما مطالعه کنید


نظرات


برای ثبت نظر وارد وبسایت شوید

ما را در اینستاگرام دنبال کنید @RobaticSchool