چگونه حشرات کوچک الگویی برای رباتها شدند
در سالهای اخیر، رباتها وظایف متنوعی از تحویل غذا تا جراحی و کاوش در سیارات دیگر را عهدهدار شدهاند. یکی از چالشهای جذاب در زمینه رباتیک نیمهآبزی، طراحی سامانههایی است که بتوانند بر روی سطح آب حرکت کنند؛ کاری که برخی حشرات کوچکِ نیمهآبزی بهطرزی استادانه انجام میدهند. Rhagovelia، گونهای از آبپیمایان (water striders) معروف به ripple bugs، دارای زوائد «پَرمانند» در انتهای پاهای میانی خود است که بهصورت غیرفعال بسته و باز میشوند و با تعامل با جریان و تنش سطحی آب سازگاری مییابند. این ویژگی الهامبخش تیم تحقیقاتی دانشگاه کالیفرنیا، برکلی شد تا نمونهٔ مصنوعی آن را بسازند: رهاگوبات.
ساختار و عملکرد فنهای پا: مطالعهای میکروسکوپی
زیستشناس و محقق، ویکتور اورتگا-خیمنز، پس از پنج سال پژوهش نشان داد که فنهای Rhagovelia برخلاف گمانهزنی اولیه که آنها را عضلانی میدانست، بهصورت خودتنظیم تحت تأثیر نیروهای الاستیک و تنش سطحی عمل میکنند. این زوائد بهسرعت—تقریباً ده برابر سریعتر از یک پلک زدن—در برخورد با آب گسترش مییابند و بر پایهٔ جریان آب، شکل خود را تغییر میدهند. چنین مکانیسمی باعث میشود که در مقایسه با اندازهٔ کوچکشان، سطح تماس گستردهای با آب ایجاد کرده و رانش قابلتوجهی تولید کنند.
مشاهدات میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که فنهای Rhagovelia از مجموعهای از زبرههای تخت همراه با زائدههای کوچکتر (barbules) تشکیل شدهاند؛ ساختاری که پیش از این شناختهشده نبود. هر ضربهٔ پا گردابههایی (vortices) در آب ایجاد میکند که شباهتهایی به رد جریانهایی دارد که بالها هنگام پرواز از خود بر جای میگذارند. این گردابهها و امواج تولیدی بخشی از محرکهای رانشی هستند که پژوهشگران سعی کردند در طراحی ربات بازسازی کنند.
رهاگوبات: ترجمهٔ طبیعی به مهندسی رباتیک
در مقایسه با رباتهای نیمهآبزی موجود که اغلب از پدهای حجیم یا پارو مانند برای تولید رانش استفاده میکنند، یا مدلهای کوچکی که تنها پاهای نازک و آبگریز دارند، رهاگوبات نسخهای است که فنهای خود-مورفشونده را بهکار میگیرد. این فنها بدون نیاز به منبع انرژی اضافی و تنها بر اساس حرکت و سرعت آب باز و بسته میشوند. تیم سازنده، پس از ساخت نمونههای مصنوعی فنهایی که به پاهای میانی متصل شدند، رهاگوبات را در برابر یک ربات مبتنی بر گونهٔ دیگری از آبپیمایان قرار دادند. هر دو ربات با نیروی برابری تغذیه شدند، اما رهاگوبات مسافت بیشتری را پیمود و دورهای تیزتر و سریعتری زد؛ چرا که فنها هم سرعت رو به جلو را افزایش دادند و هم ترمزگیری سریعتری را ممکن کردند. قابلیت جمعشدن فن همچنین انرژی لازم برای بیرون کشیدن پا از سطح آب را کاهش میدهد.
مزایا و جنبههای فنی
- تولید رانش مؤثر با سطح تماس بزرگ ولی وزن و درگیری کم با آب
- پاسخپذیری خودکار به جریان آب بدون نیاز به محرکهای الکتریکی اضافه
- کاهش انرژی مصرفی هنگام لیفت پا از آب بهدلیل قابلیت جمعشدن
- ایجاد گردابهها و امواج مشخص که به افزایش ثبات و مانور کمک میکند
زمینهٔ علمی، کاربردها و چالشها
این پژوهش در مرزهای جدید رباتیک نیمهآبزی و زیستالهامگیری قرار دارد. کاربردهای بالقوه شامل پایش محیطی آبهای کمعمق و طغیانها، عملیات جستوجو و نجات در شرایط طوفانی، و حتی کاوش محیطهای خارج از زمین است؛ مثلاً دریاچهها و دریاهای متانی قمر تیتان. با این حال، افزودن حسگرها، منبع تغذیه و سختافزار ارتباطی به این پلتفرم کوچک چالش مهمی است؛ وزن و مصرف انرژی میتواند در عمل توانایی حرکت روی آب را محدود کند.
در مقیاس مهندسی، بازتولید ساختار باربی و خاصیت آبگریزیِ پاها نیز نیازمند بهینهسازی مواد و فرایندهای ساخت است. همچنین سناریوهای محیطی متنوع—موجهای بزرگ، آلودگی سطح آب، یا شکست در تنش سطحی بهدلیل روغنها—باید در طراحی رباتها در نظر گرفته شوند.
فناوریهای مرتبط و چشمانداز آینده
این پژوهش با تکنیکهای دیگر رباتیک زیستالهامشونده همپوشانی دارد؛ از پاهای نازک آبگریز گرفته تا بالههای انعطافپذیر و سامانههای سوخترسانی کممصرف. ترکیب فنهای خودمورف با خوشههای رباتی (swarms) میتواند امکان پوشش سریع ناحیههای وسیع برای پایش محیطی را فراهم کند. در مورد مأموریتهای فضایی، اگر چالشهای منبع تغذیه و تحمل شرایط دمایی و شیمیایی محیطهای خارجی (مانند متان در تیتان) حل شوند، پلتفرمهایی بر مبنای همین ایده میتوانند به کاوش سطحی یا حتی شنا در اقیانوسهای خارجی کمک کنند.
نتیجه گیری
مطالعهٔ Rhagovelia و تبدیل آن به رهاگوبات نمونهای از قدرت زیستالهامگیری در پیشبرد رباتیک است. با استفاده از فنهایی که بهصورت غیرفعال به جریان و تنش سطحی پاسخ میدهند، رهاگوبات رانش و مانور بهتری نسبت به طراحیهای سنتی نشان داده است. آیندهٔ این رویکرد میتواند شامل کاربردهای زیستمحیطی، امداد و نجات، و حتی طرحهای کاوش بینسیارهای باشد؛ اما برای عملی شدن نیاز به توسعهٔ مواد، منابع تغذیهٔ سبک و سامانههای حسگر کموزن است. الهام گرفتن از ساختارهای زیستی کوچک میتواند جهشهای بزرگ در فناوری پدید آورد—خواه روی آب، خواه فراتر از آن.