ربات نرم با الهام از سفره‌ماهی: سریع و کارآمد!

بهبود رکورد سریع‌ترین ربات نرم شناگر

یک تیم از محققان توانسته‌اند رکورد خود را برای سریع‌ترین ربات نرم شناگر بشکنند و از الهام‌گیری از راياهای مانتا برای بهبود کنترل حرکت ربات در آب استفاده کنند. جی یین، نویسنده مسئول مقاله‌ای درباره این تحقیق و استاد یار مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه ایالت کارولینای شمالی، می‌گوید: “دو سال پیش، ما یک ربات نرم آبی را معرفی کردیم که توانست به سرعت متوسط ۳.۷۴ طول بدن در ثانیه دست یابد.” او ادامه می‌دهد: “ما طراحی آن را بهبود بخشیده‌ایم. ربات نرم جدید ما از نظر مصرف انرژی کارآمدتر است و به سرعت ۶.۸ طول بدن در ثانیه می‌رسد. علاوه بر این، مدل قبلی فقط می‌توانست بر روی سطح آب شنا کند، در حالی که ربات جدید ما قادر است در تمام ستون آب بالا و پایین برود.”

این ربات نرم دارای باله‌هایی به شکل باله‌های مانتا است و از ماده‌ای ساخته شده که در هنگام گسترش باله‌ها پایدار می‌ماند. باله‌ها به بدنه‌ای انعطاف‌پذیر و سیلیکونی متصل هستند که حاوی یک محفظه است که می‌تواند با هوا پر شود. باد کردن محفظه باعث می‌شود که باله‌ها خم شوند – مشابه حرکتی که مانتا هنگام زدن باله‌هایش انجام می‌دهد. هنگامی که هوا از محفظه خارج می‌شود، باله‌ها به طور خودکار به موقعیت اولیه خود بازمی‌گردند. هایتائو کینگ، نویسنده اول مقاله و دانشجوی دکترا در دانشگاه NC State، می‌گوید: “پمپ کردن هوا به داخل محفظه، انرژی را به سیستم وارد می‌کند. باله‌ها می‌خواهند به حالت پایدار خود بازگردند، بنابراین آزاد کردن هوا نیز انرژی موجود در باله‌ها را آزاد می‌کند. این بدان معناست که ما تنها به یک عملگر برای ربات نیاز داریم و این امکان را برای تحریک سریع‌تر فراهم می‌کند.”

مطالعه دینامیک سیالات راياهای مانتا نیز نقش کلیدی در کنترل حرکت عمودی ربات نرم ایفا کرد. جیچنگ گو، نویسنده همکار مقاله و دانشجوی دکترا در دانشگاه ویرجینیا، می‌گوید: “ما حرکت شنا کردن راياهای مانتا را مشاهده کردیم و توانستیم آن رفتار را تقلید کنیم تا کنترل کنیم که آیا ربات به سمت سطح شنا می‌کند، به سمت پایین می‌رود یا در ستون آب موقعیت خود را حفظ می‌کند.” او ادامه می‌دهد: “وقتی راياهای مانتا شنا می‌کنند، دو جت آب تولید می‌کنند که آن‌ها را به جلو می‌برد. مانتاها با تغییر حرکت شنا کردن خود، مسیرشان را تغییر می‌دهند.”

کنترل حرکات عمودی ربات شناگر با تکنیک‌های نوین

ما از تکنیک مشابهی برای کنترل حرکات عمودی این ربات شناگر استفاده کردیم. هنوز در حال کار بر روی تکنیک‌هایی هستیم که به ما کنترل دقیقی بر حرکات جانبی بدهند. یوانگ ژو، نویسنده همکار این مقاله و استادیار مهندسی مکانیک در دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید، می‌گوید: “به‌طور خاص، شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌ها به ما نشان دادند که جت رو به پایین تولید شده توسط ربات ما از جت رو به بالا آن قوی‌تر است. اگر ربات باله‌های خود را به سرعت تکان دهد، به سمت بالا حرکت می‌کند. اما اگر فرکانس عمل‌کردن را کاهش دهیم، این امکان را به ربات می‌دهد که در بین تکان دادن باله‌هایش کمی غرق شود و به این ترتیب می‌تواند به سمت پایین شیرجه بزند یا در عمق یکسانی شنا کند.”

کینگ می‌گوید: “عامل دیگری که باید در نظر گرفت، این است که ما این ربات را با هوای فشرده تغذیه می‌کنیم. این موضوع اهمیت دارد زیرا زمانی که باله‌های ربات در حالت استراحت هستند، محفظه هوایی خالی می‌شود و باعث کاهش شناوری ربات می‌گردد. هنگامی که ربات باله‌های خود را به آرامی تکان می‌دهد، باله‌ها بیشتر در حالت استراحت هستند. به عبارت دیگر، هر چه ربات باله‌های خود را سریع‌تر تکان دهد، زمان بیشتری محفظه هوا پر می‌شود و شناوری آن بیشتر می‌شود.”

عملکرد ربات نرم در شرایط مختلف

محققان عملکرد این ربات نرم را به دو روش مختلف نشان داده‌اند. اول، یکی از نسخه‌های ربات توانست در یک مسیر مملو از موانع که بر روی سطح و کف یک مخزن آب قرار داشت، حرکت کند. دوم، پژوهشگران نشان دادند که ربات بدون اتصال قادر به حمل بار بر روی سطح آب، از جمله منبع هوای خود و منبع تغذیه‌اش است.

یین می‌گوید: “این یک طراحی بسیار مهندسی شده است، اما مفاهیم بنیادی آن نسبتاً ساده هستند. با تنها یک ورودی عمل‌کرد، ربات ما می‌تواند در یک محیط عمودی پیچیده حرکت کند. ما اکنون در حال کار بر روی بهبود حرکات جانبی و بررسی سایر حالت‌های عمل‌کرد هستیم که به طور قابل توجهی قابلیت‌های این سیستم را افزایش خواهد داد. هدف ما این است که این کار را با طراحی انجام دهیم که سادگی زیبا را حفظ کند.”

انتشار مقاله در مجله علمی

مقاله‌ای با عنوان “جریان‌های جت ناشی از چرخش خودبخودی برای شناگر نرم و چابک در سطح و زیر آب” به صورت دسترسی آزاد در مجله Science Advances منتشر شده است. این مقاله به‌طور مشترک توسط یندینگ چی و یاویه هونگ، دانشجویان دکترای سابق در دانشگاه NC State، و همچنین دانیل کوئین و هایبو دونگ از دانشگاه UVA نوشته شده است. این کار با حمایت بنیاد ملی علوم تحت گرنت‌های 2126072 و 2329674 و همچنین از دفتر تحقیقات دریایی تحت گرنت N00014-22-1-2616 انجام شده است.