عنکبوت، و ایده جدیدی برای ساخت اندام های روبات

عنکبوت مسحور کننده

هشت مدرسه در لندن به دلیل هجوم عنکبوت ها تعطیل شدند. مسئولین مدارس گزارش دادند که آنها نگران رفاه کودکان هستند، بنابراین دانش آموزان خود را به خانه فرستادند – و در یک مورد برای یک ماه کامل مدرسه را تعطیل کردند. این در فصل عنکبوت اتفاق افتاد. وقتی نرها به دنبال ماده هستند، عنکبوت ها در بزرگترین اندازه خود هستند و به نظر می رسد تارهای آنها هر گوشه ای را پر می کند و از هر راهی عبور می نماید.
 
هر سال، به همان میزان قابل پیش بینی، وحشت ایجاد می شود. این یک زمان شلوغ و ناامیدکننده برای متخصصان مغز و اعصاب است که سعی می کنند ترس مردم را با منطق آرام کنند. آنها می گویند، این عنکبوت ها شما را نمی کشند، و حداکثر این است که اگر لمسشان کنید، گازتان می گیرند، که دردناک تر از نیش زنبور عسل نیست. با وجود این واقعیت ها، ترس همچنان وجود دارد. به نظر می رسد برخی از حیوانات، به سادگی، فقط بد بدنیا آمده اند. این طور جا افتاده است که تنها واکنش منطقی این است که قبل از این که شما را بکشند، فرار کنید یا آنها را بکشید.
 
من به عنوان یک هنرمند به عنکبوت ها علاقه مند شدم، زیرا مانند من، آنها هم چیزهایی را می سازند. من ابریشم آنها را جمع آوری کرده ام، آیین های خواستگاری آنها را تماشا کرده ام و حتی از یکی دعوت کرده ام تا در یک همنوایی دو نفره به من ملحق شود - من یک عنکبوت باغ را در یک موسیقی عاشقانه شرکت دادم و ارتعاشات تار عنکبوت را، در حالی که نخ ها را در پاسخ می کشید، ضبط کردم. با این حال هنوز وقتی یکی از آنها را در دست می گیرم نوسانی از وحشت را احساس می کنم. کف دستم عرق می کند و احساس می کنم ضربان قلبم تند می شود.
این سیستم کارآمد و غیرمتمرکز برای روباتیک های مدرن - که غالباً در طراحی های مصنوعی خود از دنیای طبیعی الهام گرفته اند - به طرز چشمگیری امری مرتبط است. اما اگر بخواهیم حفاظت از محیط زیست را جدی بگیریم، نمی توانیم فقط حیواناتی را که از نظر ما جذاب هستند انتخاب کنیم. ما باید راه های زندگی با حیواناتی را هم پیدا کنیم که باعث می شوند احساس ناراحتی کنیم. به جای فرار از آنها یا نابودی آنها، می توانیم گزینه ای سوم را انتخاب کنیم: کنجکاو شوید که این حیوانات در کجا زندگی می کنند، چگونه ارتباط برقرار می کنند، و چه چیزی درست می کنند؟ و این چنان که خواهیم دید به علم و پیشرفت فناوری ما مثلاً در زمینه روباتیک نیز کمک خواهد کرد.
 
من جمع آوری تار عنکبوت را از 15 سال پیش که به عنوان یک دانشجو در زیرزمینی غبارآلود زندگی می کردم شروع کردم. رشته های ابریشم را از هم جدا می کردم و آنها را به صورت نقاشی و مجسمه در می‌آوردم – که یک فعالیت بسیار وقت گیر بود. عنکبوت های گلیم باف، مانند عنکبوت های باغی، قادر به تولید هفت نوع ابریشم مختلف هستند که هرکدام دارای خصوصیات مختلف هستند. بعضی از آنها خشک، محکم و مشهور است که سخت تر از فولادند، در حالی که برخی دیگر مارپیچ گیرنده چسبنده ای از یک تار را تشکیل می دهند.
 

تار گردی

تطبیق پذیری ابریشم عنکبوت از صدها سال قبل تاکنون، آن را به ماده ای جذاب و مفید برای انسان تبدیل کرده است. قدیمی ترین استفاده از تار عنکبوت، استفاده از آن به عنوان پانسمان زخم است. تار عنکبوت در میدان های نبرد در دسترس است زیرا دارای خواص ضد باکتری است که به ما در بهبود زخم و مقاومت در برابر عفونت کمک می کند. تحقیقات اخیر در مورد ابریشم عنکبوتی مصنوعی، در حال بسط این پتانسیل پزشکی با استفاده از ابریشم برای بهبود تاندون های آسیب دیده است. به نظر می رسد که سلول های ما به ویژه با پروتئین های ابریشم عنکبوت به خوبی سازگار می شوند، و نه تنها آنها را رد نمی کنیم بلکه در واقع به آنها می چسبیم. در آینده همه ما ممکن است بخشی از مرد عنکبوتی یا زن عنکبوتی باشیم.  
عنکبوت ها همچنین نقشی اساسی در نقشه برداری آسمان، اندازه گیری زمان و حتی جنگ دارند. از اوایل قرن نوزدهم تا دهه 1950، از ابریشم عنکبوت برای ایجاد شبکه و موهای متقاطع در تلسکوپ ها، ابزارهای نوری و دید اسلحه استفاده می شد - در طول جنگ جهانی دوم، افراد زیادی تار عنکبوت را برای فروش به سازندگان اسلحه جمع می کردند. یکی از موفق ترین آنها یک زن کالیفرنیایی به نام نان سونگر بود که اتاق آفتاب خود را با عنکبوت های بیوه سیاه پر می کرد. او آنها را به عنوان "مطیع مانند گاوهای شیرده پیر" توصیف می کرد.
 
یکی از زیباترین منظره های دیدنی در پاییز، تابش نور پاییزی بر روی تارهای عنکبوت است. همین ظاهر جادویی است که مردم را به تلاش برای بافتن لباس از تار عنکبوت برانگیخته است. مشکل این است که شما برای تولید قابل توجهی از این نوع، به ابریشم خشک زیادی احتیاج دارید و عنکبوت ها در برابر تکثیر تجاری مقاوم هستند - آنها تمایل به خوردن یکدیگر دارند.
 هر پا در واقع بسیاری از اقدامات تار سازی را به صورت یک عامل مستقل انجام می دهد.برای جمع آوری تار عنکبوت، از روشی ساده تر توسط مردم مالاکولا، جزیره ای در مجمع الجزایر وانواتو در اقیانوس آرام جنوبی، استفاده می شود. صبح زود مردان روستاها با استفاده از اسکلت بامبو تارهای عنکبوت را از درختان جمع می کنند. این تارها مانند پارچه نمدی بهم می چسبند و از این روش برای ایجاد ماسک، روسری های روحانی و حتی تونیک های کامل استفاده می کنند. در مالاکولا، عنکبوت ها بیشتر مورد احترام قرار می گیرند تا اینکه از آنها ترسیده شود یا نابود شوند. آنها چرخه زندگی را منعکس می کنند. هر شب بسیاری از گونه های عنکبوت تارهای خود را می خورند و از انرژی به دست آورده از این کار، برای بافتن تار جدید در صبح استفاده می کنند.
 

پیدا کردن عنکبوت

می خواهم فعالیتی را پیشنهاد دهم. همان طور که عصر تمام می شود و ترفندها و روش های درمانی شروع می شود، یک مشعل بردارید و به کشف عنکبوت ها بروید. در انگلیس حدود 600 گونه عنکبوت وجود دارد و در جهان 35000 نوع عنکبوت وجود دارد، بنابراین به احتمال زیاد تعدادی از آنها را خواهید یافت.
   
از حمامTegenaria domestica ، عنکبوت خانه، شروع کنید. در این زمان از سال، این موجودات قهوه ای مودار احتمالاً نرها هستند که هنگام جستجوی ماده ها، برای نوشیدن آب، توقف می کنند. هنگام خروج از خانه، به گوشه های سقف محل زندگیتان، به عنکبوتPholcidae  یا بلند پاهای پدر (Daddy Long-legs) نگاه کنید. اگر می خواهید مگس ها و عنکبوت های دیگر را از خود دور نگه دارید، این نوع عنکبوت ها مواردی است که به شما توصیه می شوند: آنها دیگر خواران قهاری هستند.
 حداقل از پنج ابریشم مختلف در تار عنکبوت استفاده می شود، و نحوه تلاقی و شبکه ای شدن آنها با یکدیگر نوعی ظرفیت فیلتر کردن اطلاعات را ایجاد می کند - با ارتعاشات کوچکی که در همه اوقات توسط پاهای عنکبوت گوش داده می شوند.دانستن در مورد عنکبوت ها و دیگر موجودات ناخوشایند به کاهش ترس ما از آنها کمک می کند. اما همچنین آشکار شدن وابستگی زندگی ما به زندگی خارق العاده دیگران، دنیای ما را غنی می سازد.
 

عنکبوت و روبات

کسانی که از عنکبوت هراس دارند حرکت غیر قابل پیش بینی عنکبوت ها را به عنوان اساس ترس خود ذکر می کنند، و به این نکته اشاره می کنند که چگونه به نظر می رسد هر پای دوک مانند بلند می شود، خم می شود و با درجه تهدید کننده ای از خودمختاری کاوش می کند.
 
شاید مشوش کننده باشد، اما من و همکارم Thiemo Krink تحقیقاتی انجام داده ایم که نشان می دهد هر یک از پاهای عنکبوت واقعاً از استقلال خاصی از مغز برخوردار است - خصوصاً در کار پیچیده تار سازی.
 
مطالعه ما نشان داده است که پاهای عنکبوت "ذهن خودشان را دارند"، و بدون نظارت مغز عنکبوت بر آنها، تار می سازند. این امر، پیامدهای مهمی در زمینه روباتیک دارد، که ممکن است از این نمونه از هوش غیر متمرکز برای ساختن اندام های مشابه روباتی مستقل الهام گرفته شود.
 
برای رسیدن به نتیجه گیری، عنکبوت معمولی باغ، Araneus diadematus، را تحت مشاهده قرار دادیم، موجودی که برای همه ما آشناست - هم در حیاط خانه های ما معلق است و هم به عنوان قهرمان در صفحات کتاب کودکانه "وب شارلوت" یا Charlotte's Web حضور دارد.
 

مهندسین وب

تار های عنکبوت عملکردهای زیادی دارد. آنها یک خانه امن را برای عنکبوت فراهم می سازند، اما همچنین به طرز مشهوری دام نامرئی و بسیار پویایی نیز هستند که برای گرفتن و سپس محکم نگه داشتن هر حشره ای که خیلی نزدیک شود، ایجاد شده اند.
 
برای انجام این وظیفه، تار ها از یک داربست ساختاری قوی از اسپوک های شعاعی با ساختن آن چه که یک "مارپیچ شکار" خوانده می شود در قسمت بالا، استفاده می کنند، که نرم و چسبناک است و از یک مکانیسم قرقره ای میکروسکوپی بسیار هوشمندانه برای به داخل کشیدن طعمه بهره می برد.
 پاهای عنکبوت "ذهن خودشان را دارند".مارپیچ شکار نه تنها از بارهای الکترواستاتیکی برای به دام انداختن مگس استفاده می کند، بلکه همچنین دارای یک چسب پیچیده برای محکم نگه داشتن طعمه و یک ویژگی ارتجاعی خاص است که باعث کشش بیش از حد تار برای یک حشره بدبخت می شود که نتواند در مبارزه برای آزادی خود به تار فشار آورد.
 
قیاس اینترنت به عنوان یک "تار" قیاسی ظریف است، زیرا حداقل از پنج ابریشم مختلف در تار عنکبوت استفاده می شود، و نحوه تلاقی و شبکه ای شدن آنها با یکدیگر نوعی ظرفیت فیلتر کردن اطلاعات را ایجاد می کند - با ارتعاشات کوچکی که در همه اوقات توسط پاهای عنکبوت گوش داده می شوند.
 

طرح عنکبوت

با توجه به پیچیدگی باور نکردنی تار عنکبوت ها، باید بپرسیم که چگونه یک حیوان کوچک - با یک مغز کاملاً ناچیز - می تواند این ساختار پیشرفته را طراحی کرده و بسازد. فناوری مدرن به ما کمک کرده است تا درک کنیم که عنکبوت ها چگونه چنین وظیفه پیچیده ای را مدیریت می کنند.
 
با فیلم برداری و ردیابی حرکات هشت پای عنکبوت، ما توانستیم تارسازی عنکبوت را با جزئیات اساسی ردیابی کنیم، که آشکار کننده این بود که مراحل ساخت، نوعی رقص در اطراف یک توپی مرکزی، با یک رقص آرایی دقیق از قوانین قابل تکرار است.
 
این قوانین به طرز شگفت انگیزی ساده هستند. هر گام و دستکاری نخ از یک الگوی عملیاتی ثابت پیروی می کند، که همراه است با این که یکی از پاهای عنکبوت، زاویه و فاصله ای را به این منظور اندازه گیری می کند که در آن قرار گیرد و سپس یک نخ را به نخی دیگر با استفاده از یک تکه چسب اتصال می دهد – که این کار همواره توأم است با یک دقت و فاصله گذاری بی عیب و نقص. سال ها پیش، ما یک عنکبوت مجازی به نام Theseus را برنامه ریزی کردیم تا نحوه این عملکرد را نشان دهیم.
 
پیچیدگی ظاهری ساختار، نتیجه یک توالی طولانی از هزاران مرحله و اقدام کوچک است که هر یک بر مراحل و اقدامات قبلی بنا شده است. این فرایند تکراری، به شبکه، "ویژگی هایی برآینده" می بخشد – که خواص ویژه ای هستند که در نتیجه کار اجزای مختلف با یکدیگر آشکار می شوند - که به نوبه خود عملکردی برجسته از معماری و مهندسی را فراهم می نماید.
 

برون سپاری

به نظر می رسد پیچیدگی وظیفه ای که در هنگام ساختن یک تار در دست (یا بهتر بگوییم پا) است، نیاز به مغز عنکبوت دارد تا کار را به هشت پا برون سپاری کند. به گونه ای دیگر، باید گفت پاهای عنکبوت به صورت نیمه مستقل تار می سازند - هشت عضو فانتوم یا خیالی که در حلقه های بازخورد بسته و محلی رقص خود را انجام می دهند.
 
ما این را پس از مطالعه روی عنکبوت های در حال ساخت تار در داخل قاب ها در آزمایشگاهمان کشف کردیم. در برخی از آزمایشات، ما رشته های تار در حال ساخت را برش دادیم. در برخی دیگر، ما تار را مانند یک چرخ و فلک چرخاندیم. این کاوش برای آزار دادن عنکبوت انجام نشد، بلکه برای کمک به ما بود که قوانینی را که بر تار سازی حاکم است تشخیص دهیم.
 
با داشتن مجموعه ای از قواعد مستقر - از جمله قواعدی که به عنکبوت ها کمک می کند که به ساختن شبکه ای که از هم گسیخته شده است ادامه دهند - ما آنها را به تیزوس، عنکبوت مجازی خودمان، آموزش دادیم.
 هر یک از پاهای عنکبوت واقعاً از استقلال خاصی از مغز برخوردار است - خصوصاً در کار پیچیده تار سازی.قواعد جدیدی که به تیزوس آموختیم – که بر اساس رقص عنکبوت های واقعی که در آزمایشگاه خود مشاهده کردیم بود - نشان داد که هر پا در واقع بسیاری از اقدامات تار سازی را به صورت یک عامل مستقل انجام می دهد. این به نوبه خود به ما کمک کرد تا به این راز که چگونه عنکبوت پس از از دست دادن یک پا، همچنان تار های کاملی ایجاد می کند پی ببریم.
 
وقتی پای یک عنکبوت به دام می افتد، عنکبوت خود را از آن پا می کَنَد و دفعه بعد که عنکبوت اسکلت خارجی خود را پوست اندازی می کند یک پای کوتاه تر، دوباره احیا می شود. این پای جایگزین نه تنها به اندازه نصف یک پای طبیعی است، بلکه، با موها و سنسورهای مختلف، شکل آن نیز متفاوت است. با این حال عنکبوت هایی که پاهای آنها از نو ساخته شده اند به نوعی به ایجاد تار های کامل ادامه می دهند.
   
تصویر: یک عنکبوت کوچک در برابر پس زمینه سیاه و سفید در تارهای خود. یک عنکبوت باغی معمولی با پاهای بازسازی شده در سمت چپ خود. توسط نویسنده ارائه شده است.
 سلول های ما به ویژه با پروتئین های ابریشم عنکبوت به خوبی سازگار می شوند.تکامل به این نتیجه رسیده است که پاهای عنکبوت باید به نوعی بتوانند خود فکر کنند، و این بدان معناست که خصوصیات مختلف پاهای بازسازی شده در ایجاد یک تار تأثیر نمی گذارد.
 
این کار باعث می شود که مغز از کنترل های ریز هشت پا در انجام فعالیت های پیچیده معاف شود و برای تمرکز بر اقدامات مهم برای زنده ماندن، مانند مراقب شکارچیان بودن، آزاد باشد. این سیستم کارآمد و غیرمتمرکز برای روباتیک های مدرن - که غالباً در طراحی های مصنوعی خود از دنیای طبیعی الهام گرفته اند - به طرز چشمگیری امری مرتبط است.
 
عنکبوت ها در تمرکز بخشیدن به وظایف مغز تنها نیستند - در واقع، اکثر حیوانات تا حدی این کار را انجام می دهند، مانند ضربان مداوم قلب انسان که بدون کنترل مغز انجام می شود. اما عنکبوت ها با تار و پود خود ابزاری ملموس، قابل مشاهده و مسحورکننده برای اندازه گیری و درک نحوه عملکرد این تمرکز زدایی در اختیار ما قرار می دهند.
 عنکبوت های گلیم باف، مانند عنکبوت های باغی، قادر به تولید هفت نوع ابریشم مختلف هستند که هرکدام دارای خصوصیات مختلف هستند.این ترفند شسته و رفته، در جاسازی نمودن محاسبه کاری ساده در ساختار اندام ها توسط یک عنکبوت، نهفته است. روباتیک شناسان این محاسبات ریخت شناسی را فرا می خوانند و به تازگی قدرت آن را کشف کرده اند. در حالی که به نظر می رسد که عنکبوت فروتن باغ بیش از 100 میلیون سال است که از آن استفاده می کند.
 
منبع: الیانور مورگان، فریتز وُلرات، Loughborough University، University of Oxford