Asymmetric vibration pattern enables ultrafast locomotion of an insect-scale amphibious microrobot
تقدم هذه الدراسة روبوتاً مجهرياً برمائياً بحجم الحشرات وغير متصل بسلك، يستخدم مجموعة واحدة من المشغلات لتوليد نمط اهتزاز غير متماثل، مما يتيح حركة فائقة السرعة ومتحكم بها وانتقالات سلسة بين البيئات البرية والمائية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
لقد أتقنت الطبيعة منذ زمن طويل فن التنقل بين العوالم. فالحشرات مثل "السباحين في الماء" (water striders) وخنافس "الدوامة" (whirligig beetles) يمكنها الركض فوق سطح بركة ثم التسلق بسرعة فوق ضفة طينية، كل ذلك دون تغيير أرجلها أو طريقة حركتها. فهي تستخدم الأطراف نفسها للدفع ضد الماء وللدفع ضد التربة، معتمدة على فيزياء بيئتها للقيام بالعمل الشاق. وبالنسبة للمهندسين الذين يحاولون بناء آلات صغيرة يمكنها القيام بالمثل، فقد كان هذا الخداع البيولوجي لغزاً مستعصياً. إن إنشاء روبوت صغير بما يكفي ليتسع في الجيب — وتحديداً، طوله أقل من خمسة سنتيمترات — هو أمر صعب في حد ذاته. أما جعل تلك الآلة نفسها تتحرك بسرعة ورشاقة على كل من الأرض الجافة وسطح الماء، مع حمل بطاريتها ودماغها الخاص، فقد بدا أمراً مستحيلاً تقريباً. يكمن التحدي في حقيقة أن اليابسة والماء يتطلبان أنواعاً مختلفة تماماً من الحركة؛ فما يصلح للجري على التراب غالباً ما يفشل في السباحة، والعكس صحيح. وعادة ما يتطلب حل ذلك آلات معقدة ذات مجموعات متعددة من الأجزاء المتحركة، والتي تكون ثقيلة وضخمة جداً بحيث لا تتناسب مع إطار بحجم الحشرة.
لقد طور فريق من الباحثين الآن حلاً يتحدى هذه المقايضة. فقد صنعوا روبوتاً برمائياً صغيراً بحجم الحشرة وغير مقيد بسلك، يبلغ طوله 2.1 سم ويزن 1.69 جراماً فقط. يمكن لهذه الآلة الصغيرة أن تنطلق عبر الأرض وتنزلق فوق سطح الماء بسرعة ملحوظة، كل ذلك وهي تحمل مصدر طاقتها ونظام تحكم لاسلكي. وسر نجاحها يكمن في نمط حركة واحد ذكي يعمل في كلا البيئتين. فبدلاً من استخدام أرجل مختلفة للسباحة والجري، يستخدم الروبوت مجموعة واحدة من المحركات لتشغيل زوج من الأطراف التي تعمل كقدم للجري ومجداف للسباحة في آن واحد. ومن خلال جعل هذه الأطراف تهتز بإيقاع محدد وغير متماثل، يولد الروبوت حركة للأمام على الأرض والماء دون الحاجة إلى تغيير أجهزته أو مشيته.
يستمد تصميم الروبوت إلهامه من الطريقة التي تسبح بها خنافس الدوامة. تمتلك هذه الخنافس أرجلاً تنتشر على اتساعها عندما تدفع للخلف للإمساك بالماء، ولكنها تنطوي بإحكام عندما تتأرجح للأمام لتقليل المقاومة. وقد حاكى الباحثون هذا السلوك باستخدام مجداف سباحة متصل بالرجل الأمامية للروبوت. هذا المجداف متصل بمفصل خاص يسمح له بالتأرجح بحرية في اتجاه واحد ولكنه ينغلق في مكانه في الاتجاه الآخر. عندما يهتز الروبوت، يتأرجح المجداف على اتساعه خلال ضربة القوة لدفع الماء، مما يخلق دفعاً قوياً للأمام. وفي ضربة العودة، ينطوي المجداف، ليشق طريقه عبر الماء بأقل قدر من السحب. وهذا يخلق دفعة صافية تدفع الروبوت للأمام. أما على الأرض، فإن نمط الاهتزاز نفسه يعمل بشكل مختلف؛ حيث يميل جسم الروبوت قليلاً، بحيث عندما تتأرجح الرجل للخلف، تصطدم بالأرض بقوة لتدفع الروبوت للأمام. وعندما تتأرجح للأمام، ترتفع قليلاً في الهواء لتجنب الاحتكاك. تسمح هذه الحركة البسيطة أحادية الاتجاه للروبوت بالجري والسباحة باستخدام نفس الإعداد الميكانيكي تماماً.
ولإثبات أن هذا المفهوم يعمل في العالم الحقيقي، قام الفريق ببناء نموذج أولي واختباره في بيئة محكومة. لقد زودوا الروبوت ببطارية ليثيوم صغيرة ودائرة تحكم لاسلكية، مما جعله مكتفياً ذاتياً تماماً. وفي الاختبارات على سطح بلاستيكي، حقق الروبوت سرعة قصوى بلغت 32.5 سنتيمتراً في الثانية، أي حوالي 15.5 ضعف طول جسمه في الثانية الواحدة. وعلى الماء، وصل إلى 11.3 سنتيمتراً في الثانية، أو 5.4 ضعف طول جسمه في الثانية. هذه السرعات أسرع بكثير من أي روبوت آخر غير مقيد بالسلك بهذا الحجم سبق له تحقيق ذلك. كما أظهر الروبوت رشاقة مثيرة للإعجاب، حيث كان قادراً على الدوران على الأرض بمعدل 760 درجة في الثانية والدوران على الماء بمعدل 450 درجة في الثانية. وكان بإمكانه التنقل حول العوائق العائمة، وإزاحة الحطام الخفيف، وحتى تسلق منحدر لطيف للانتقال من الماء إلى الأرض والعودة مرة أخرى.
لم يعتمد الباحثون فقط على التجربة والخطأ؛ بل استخدموا نماذج حاسوبية لفهم كيفية تحرك الروبوت بدقة. ووجدوا أن سرعة الروبوت تعتمد بشكل كبير على تردد اهتزازاته. فعندما يتوافق تردد الاهتزاز مع الرنين الطبيعي لهيكل الروبوت، تصبح الحركة أكثر كفاءة، مما يولد أقصى سرعة ممكنة. كما اكتشفوا أن حجم مجداف السباحة وصلابة مفصله كانت عوامل حاسمة؛ فإذا كان المجداف كبيراً جداً أو المفصل صلباً جداً، فلن يتمكن الروبوت من التحرك بسرعة. ومن خلال ضبط هذه التفاصيل، قاموا بتحسين التصميم لضمان أدائه في ذروته. وتؤكد الدراسة أنه من الممكن إنشاء آلة تكون صغيرة جداً وسريعة جداً في آن واحد، بشرما تستخدم استراتيجية حركة تحترم فيزياء كل من الهواء والماء.
يمثل هذا الإنجاز خطوة مهمة للأمام في مجال الروبوتات الدقيقة. فحتى الآن، كانت معظم الروبوتات الصغيرة التي يمكنها التحرك على الأرض والماء إما بطيئة جداً، أو كبيرة جداً، أو تتطلب سلكاً لتزويدها بالطاقة. يظهر هذا الروبوت الجديد أن آلية واحدة بسيطة يمكنها التعامل مع المتطلبات المعقدة لعالمين مختلفين. وهو يفتح الباب أمام آلات مستقبلية يمكنها استكشاف مناطق الكوارث، أو البحث عن الناجين في المناطق المغمورة بالمياه، أو مراقبة الأنظمة البيئية الحساسة دون إزعاجها. وأشار الباحثون إلى أنه بينما يعمل روبوتهم الحالي بشكل جيد على الأسطح الملساء، فإن النسخ المستقبلية ستحتاج إلى التكيف مع التضاريس الأكثر وعورة مثل الرمل أو العشب. كما يخططون لإضافة مستشعرات بصرية حتى يتمكن الروبوت من التنقل من تلقاء نفسه دون تحكم بشري. ومع ذلك، فإن عرض روبوت بطول 2.1 سم يجري ويسبح بسرعات عالية يعد دليلاً واضحاً على أن حيل الطبيعة يمكن ترجمتها بنجاح إلى هندسة، مما يخلق آلات تتمتع برشاقة الحشرات التي استلهمت منها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.