RoboBee؛ ربات پرنده‌ای با الهام از حشرات که فرود ایمن را آموخت

1

ربات RoboBee که توسط محققان توسعه یافته، پیش از این قادر بود مانند یک حشره واقعی پرواز کند، در هوا معلق بماند و حتی به درون آب شیرجه بزند. اما یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های آن، ناتوانی در فرود ایمن و بدون آسیب به قطعات ظریفش بود.

اکنون، تیمی از مهندسان موفق شده‌اند این مانع اساسی را برطرف کنند و به این میکروربات توانایی فرود آرام و ایمن را بدهند.

طراحی جدید در RoboBee با الهام از طبیعت

تیم سازنده و ایده اصلی

این نسخه ارتقاءیافته از RoboBee در آزمایشگاه میکرورباتیک دانشگاه هاروارد و در مدرسه مهندسی و علوم کاربردی جان ای. پالسون طراحی شده است.

محققان در این پروژه از یکی از استادانه‌ترین فرودهای طبیعت الهام گرفته‌اند: پشه‌درشت‌پا (crane fly). این حشره که به دلیل پرواز آهسته و نرمش معروف است، پاهای بلندی دارد که هنگام فرود ضربه را جذب می‌کند. تیم طراحی نیز برای ربات، پاهایی مفصلی و بلند طراحی کرده‌اند که بتواند آرام روی سطوح بنشیند.

بازطراحی سیستم کنترلی

علاوه بر بهبود ساختار مکانیکی، سیستم کنترل RoboBee نیز به‌گونه‌ای بازطراحی شده تا سرعت ربات هنگام نزدیک شدن به زمین کاهش یابد و از برخورد شدید جلوگیری شود.

چرا فرود ایمن در RoboBee دشوار است؟

طراحی RoboBee گرچه در زمینه میکرورباتیک یک پیشرفت مهم محسوب می‌شود، اما همواره با چالش‌هایی همراه بوده است.

وزن این ربات تنها ۰.۱ گرم (۰.۰۰۴ اونس) و طول بال‌های آن ۳ سانتی‌متر (۱.۲ اینچ) است. این ابعاد کوچک باعث می‌شود هنگام نزدیک شدن به زمین دچار ناپایداری شود. علت اصلی این ناپایداری، جریان‌های هوایی است که از حرکت بال‌ها ایجاد می‌شود و تحت عنوان «اثر زمین» شناخته می‌شود. این نیروهای توربولانسی ممکن است ربات را هنگام فرود دچار واژگونی کنند.

به گفته کریستین چان، دانشجوی دکتری که مسئول بازطراحی ساختار مکانیکی RoboBee بوده، «پیش از این هنگام فرود، موتور ربات را کمی بالاتر از سطح خاموش می‌کردیم و امیدوار بودیم که به شکل ایمن روی زمین بنشیند.»

حتی با وجود بال‌های کوچک، اثرات جریان هوا هنگام فرود بسیار شدید است و این ناپایداری می‌تواند به عضلات پروازی ربات (فعال‌کننده‌های پیزوالکتریک) که بسیار ظریف هستند، آسیب برساند.

عملکرد پاهای جدید RoboBee

الهام از پشه‌درشت‌پا

برای دستیابی به فرودی ایمن‌تر، مهندسان به طبیعت رجوع کردند. آن‌ها پشه‌درشت‌پا را مطالعه کردند که اغلب با پشه‌های غول‌پیکر اشتباه گرفته می‌شود. این حشره به دلیل پرواز ناپایدار و پر از افت‌وخیز، الگوی خوبی برای طراحی مکانیزم فرود به شمار می‌رود.

به گفته چان، «اندازه بال‌ها و بدن پلتفرم ما شباهت زیادی به پشه‌درشت‌پا دارد.»

طراحی پاهای مفصلی

پشه‌درشت‌پا دارای پاهایی بلند و مفصلی است که در هنگام فرود از شدت ضربه می‌کاهند. با الگوبرداری از این ویژگی، تیم پژوهشی پاهایی مشابه برای RoboBee طراحی و تولید کرده است. این پاها با استفاده از فناوری‌های پیشین آزمایشگاه میکرورباتیک تولید شدند و میزان سختی یا انعطاف هر مفصل به‌دقت تنظیم شد تا ربات بتواند روی سطوح مختلف به‌خوبی فرود آید.

کنترل هوشمندتر برای فرود بهتر

نقش سیستم کنترل جدید

افزودن پاهای جدید تنها بخشی از راه‌حل بود. تیم سازنده همچنین سیستم کنترلی ربات را طوری برنامه‌ریزی کردند که بتواند برای فرود آماده شود. به گفته ناک-سونگ پاتریک هیون، مسئول آزمون‌های کنترلی فرود، «فرود موفق هر پرنده یا ربات پرنده‌ای به حداقل رساندن سرعت نزدیک شدن به سطح و جذب سریع انرژی ضربه بستگی دارد.»

حتی با بال‌های کوچک RoboBee، اثر زمین هنگام نزدیکی به سطح، قابل چشم‌پوشی نیست. این اثر پس از برخورد می‌تواند باعث جهش و واژگونی ربات شود.

تیم تحقیقاتی عملکرد فرود ربات را روی سطوح سخت و نرم – از جمله برگ درخت – آزمایش کرد تا از سازگاری سیستم با شرایط مختلف اطمینان حاصل شود.

تلفیق زیست‌شناسی و رباتیک

همکاری متخصص زیست‌شناسی

آلیسا هرناندز، پژوهشگر فوق‌دکتری، دیدگاه‌های زیستی را به پروژه افزود. تخصص او در زمینه حرکت حشرات، نقش مهمی در طراحی پاها و رفتار فرودی RoboBee داشت.

او گفت: «RoboBee یک پلتفرم عالی برای بررسی تعامل زیست‌شناسی و رباتیک است. الهام گرفتن از تنوع بی‌نظیر حشرات به ما مسیرهای بی‌شماری برای بهبود عملکرد ربات می‌دهد. همچنین می‌توانیم از این ربات‌ها به‌عنوان ابزار تحقیقاتی در مطالعات زیستی بهره ببریم.»

تیم همچنین از نمونه‌های حشرات در موزه جانورشناسی تطبیقی دانشگاه هاروارد برای بررسی ساختار پاها و تقسیم‌بندی مفاصل استفاده کرد تا طراحی نهایی بهبود یابد.

آینده RoboBee

در حال حاضر RoboBee هنوز به یک کابل برای تأمین برق و کنترل متصل است. اما تیم سازنده در تلاش است تا نسخه‌ای کاملاً مستقل توسعه دهد که دارای حسگرها، پردازشگر داخلی و منبع تغذیه مجزا باشد.

رابرت وود، مدیر پروژه، توضیح می‌دهد: «هدف بلندمدت، دستیابی به استقلال کامل ربات است. در این مسیر، با چالش‌هایی در زمینه قطعات الکترونیکی و مکانیکی روبرو بودیم و به همین دلیل فعلاً از دستگاه‌های متصل به کابل استفاده می‌کنیم.»

اما کابل‌ها مزاحم آزمایش‌ها بودند و دستیابی به فرود ایمن، گامی کلیدی برای حذف این کابل‌ها به شمار می‌رود.

قابلیت‌های کاربردی در دنیای واقعی

حذف کابل، پتانسیل کامل RoboBee را آزاد خواهد کرد. اندازه کوچک و چابکی شبیه به حشرات، این ربات را به گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای متنوعی مانند پایش محیطی، عملیات جست‌وجو و نجات یا حتی گرده‌افشانی مصنوعی تبدیل می‌کند.

چان علاقه زیادی به کاربردهای مرتبط با کشاورزی دارد. او می‌گوید: «تصور کنید که گروهی از RoboBeeها در مزارع عمودی یا باغ‌های آینده وزوز می‌کنند و گرده‌افشانی را انجام می‌دهند.»

نتایج کامل این تحقیق در نشریه Science Robotics منتشر شده است.