فريق من الباحثين قد حطم رقمه القياسي الخاص بأسرع روبوت ناعم سباحة، مستوحياً من أشعة مانتا لتحسين قدرته على التحكم في حركة الروبوت في الماء.

“قبل عامين، عرضنا روبوتًا مائيًا ناعمًا تمكن من الوصول إلى متوسط سرعات تبلغ 3.74 أطوال جسمه في الثانية الواحدة،” يقول جيه ين، المؤلف المُراسل لورقة بحثية عن هذا العمل، وأستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة ولاية نورث كارولينا.

“هذا تصميم هندسي متطور للغاية، لكن المفاهيم الأساسية بسيطة إلى حد ما.”

”

“لقد قمنا بتحسين ذلك التصميم. إنّ روبوتنا الجديد ذو الجسم الطريّ أكثر كفاءةً من حيث استهلاك الطاقة، ويصل إلى سرعة 6.8 أطوال جسمه في الثانية. بالإضافة إلى ذلك، كان النموذج السابق لا يستطيع السباحة إلا على سطح الماء. أما روبوتنا الجديد فهو قادر على السباحة صعوداً وهبوطاً في عمود الماء بالكامل.”

يملك الروبوت الطريّ زعانف تشبه زعانف سمكة شيطان البحر، وهو مصنوع من مادة مستقرة عندما تكون الزعانف ممتدة على نطاق واسع. ترتبط الزعانف بجسم مرن من السيليكون يحتوي على حجرة يمكن ضخ الهواء فيها. يؤدي نفخ الحجرة الهوائية إلى ثني الزعانف – مشابهًا لضربة الهبوط عندما يرفرف شيطان البحر بزعانفه. وعندما يُخرج الهواء من الحجرة، ترتد الزعانف تلقائيًا إلى وضعها الأولي.

“إن ضخ الهواء في الحجرة يُدخِل طاقةً إلى النظام،” كما يقول هايتاو تشينغ، المؤلف الأول للورقة، وطالب دكتوراه في جامعة ولاية نورث كارولينا. “تريد الزعانف العودة إلى حالتها المستقرة، لذا فإن إطلاق الهواء يُطلق أيضًا الطاقة في الزعانف. وهذا يعني أننا نحتاج فقط إلى مُحرك واحد للروبوت، مما يسمح بتشغيل أسرع.”

كما لعبت دراسة الديناميكا المائية للأشعة اللساعية دورًا رئيسيًا في التحكم في الحركة الرأسية للروبوت الناعم.

“لقد لاحظنا حركة سباحة أشعة مانتا، وتمكنا من محاكاة هذا السلوك من أجل التحكم فيما إذا كان الروبوت يسبح نحو السطح، أو يسبح لأسفل، أو يحافظ على وضعه في عمود الماء،” كما يقول جياشينغ غو، المؤلف المشارك للورقة، وطالب دكتوراه في جامعة فرجينيا.

“عندما تسبح أسماك شيطان البحر، فإنها تُنتج نفاثتين من الماء يدفعانها للأمام. وتُغيّر أسماك شيطان البحر مسارها عن طريق تغيير حركتها أثناء السباحة. وقد تبنّينا تقنيةً مشابهة للتحكم في الحركة الرأسية لهذا الروبوت السابح. وما زلنا نعمل على تقنيات ستمنحنا تحكماً دقيقاً في الحركات الجانبية.”

يقول يوان هانغ زو، المؤلف المشارك للورقة العلمية وأستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية بجامعة كاليفورنيا، ريفرسايد: “بشكلٍ مُحدد، أظهرت عمليات المحاكاة والتجارب أن النفاثة السفلية التي ينتجها روبوتنا أقوى من نفاثته العلوية”.

“إذا قام الروبوت بضرب زعانفه بسرعة، فإنه سيرتفع للأعلى. ولكن إذا قمنا بإبطاء تردد التشغيل، فإن هذا يسمح للروبوت بالغوص قليلاً بين ضربات زعانفه – مما يسمح له إما بالغوص للأسفل أو السباحة على نفس العمق.”

“يقول تشينغ: “هناك عامل آخر يدخل في الحسبان وهو أننا نُشغّل هذا الروبوت بالهواء المضغوط”. وهذا ذو صلة لأن غرفة الهواء تكون فارغة عندما تكون زعانف الروبوت في حالة سكون، مما يقلل من طفو الروبوت. وعندما يرفرف الروبوت بزعانفه ببطء، تكون الزعانف في حالة سكون في أغلب الأحيان. وبعبارة أخرى، كلما زادت سرعة رفرفة الروبوت بزعانفه، زاد الوقت الذي تكون فيه غرفة الهواء ممتلئة، مما يجعله أكثر طفوًا.”

وقد أظهر الباحثون وظائف الروبوت الناعم بطريقتين مختلفتين. أولاً، تمكنت إحدى إصدارات الروبوت من التنقل عبر مسار من العوائق المُرتبة على سطح وقاع خزان مائي. ثانيًا، أظهر الباحثون أن الروبوت غير المُقيد قادر على نقل حمولة على سطح الماء، بما في ذلك مصدر الهواء والطاقة الخاص به.

يقول ين: “إن هذا تصميمٌ هندسيٌّ متقنٌ، لكن المفاهيم الأساسية بسيطةٌ إلى حدٍّ ما. وبوجود مُدخَل تشغيلٍ واحدٍ فقط، يستطيع روبوتُنا التنقل في بيئةٍ رأسيةٍ معقدة. نعمل الآن على تحسين الحركة الجانبية، واستكشاف أوضاعٍ أخرى للتشغيل، مما سيعزز قدرات هذا النظام بشكلٍ كبير. هدفنا هو القيام بذلك بتصميمٍ يحافظ على تلك البساطة الأنيقة.”

ظهرت الورقة البحثية في مجلة Science Advances.

يوجد مؤلفون مشاركون إضافيون من جامعة ولاية نورث كارولينا وجامعة فرجينيا.

جاء الدعم لهذا العمل من المؤسسة الوطنية للعلوم ومكتب البحوث البحرية.

المصدر: جامعة ولاية نورث كارولينا