روباتیک الهام گرفته شده از زیست شناسی

تصویر: دو روبات u-CAT که در دانشگاه فناوری تالین در حال توسعه هستند تا هزینه عملیات باستان شناسی زیر آب را کاهش دهند.
 
به طور خاص، این رشته در مورد ساخت روبات هایی است که از سیستم های بیولوژیکی الهام گرفته شده اند. بیومیمیک و طراحی الهام گرفته از زیست شناسی گاهی با هم اشتباه گرفته می شوند. Biomimicry کپی برداری از طبیعت است در حالی که طراحی با الهام از زیست یادگیری از طبیعت و ساخت مکانیزمی است که ساده تر و مؤثرتر از سیستم مشاهده شده در طبیعت است. Biomimicry منجر به توسعه شاخه متفاوتی از روباتیک به نام روباتیک نرم شده است.

سیستم های بیولوژیکی برای وظایف خاص با توجه به زیستگاه خود بهینه شده اند. با این حال، آنها چند منظوره هستند و فقط برای یک عملکرد خاص طراحی نشده اند. روباتیک الهام گرفته شده از زیست در مورد مطالعه سیستم های بیولوژیکی است و به دنبال مکانیسم هایی است که ممکن است مشکلی را در زمینه مهندسی حل کنند. سپس طراح باید سعی کند آن مکانیسم را برای کار خاص مورد علاقه ساده و تقویت کند.

روباتیک الهام گرفته از زیست معمولاً به حسگرهای زیستی (مانند چشم)، محرک‌های زیستی (مثلاً ماهیچه)، یا مواد زیستی (مثلاً ابریشم عنکبوت) علاقه دارد. بیشتر روبات ها دارای نوعی سیستم حرکتی هستند. بنابراین، در این مقاله حالت‌های مختلف حرکت حیوانات و چند نمونه از روبات‌های الهام‌گرفته از زیست مربوطه معرفی می‌شوند.
   
تصویر: Stickybot، یک روبات الهام گرفته از مارمولک
 

تحرک زیستی یا بیولوکوموشن (Biolocomotion)

 
حرکت بیولوژیکی یا تحرک حیوانی معمولاً به شرح زیر طبقه بندی می شود:
 

حرکت روی یک سطح

حرکت روی یک سطح ممکن است شامل حرکت زمینی و حرکت درختی باشد. ما به طور خاص در مورد حرکت زمینی به طور مفصل در بخش بعدی بحث خواهیم کرد.
   
تصویر: خفاش تاونسند گوش بزرگ (Corynorhinus townsendii)
 

حرکت در یک سیال

حرکت در جریان خون یا محیط کشت سلولی در حال شنا و پرواز. روبات های شناگر و پرنده زیادی وجود دارند که توسط متخصصان روباتیک طراحی و ساخته شده اند. برخی از آنها از موتورهای کوچک یا محرک های معمولی MEMS (مانند پیزوالکتریک، حرارتی، مغناطیسی، و غیره) استفاده می کنند، در حالی که برخی دیگر از سلول های ماهیچه ای حیوانات به عنوان موتور استفاده می کنند.
 

طبقه بندی رفتاری (حرکت زمینی)

حیوانات و حشرات زیادی در خشکی با پا یا بدون پا حرکت می کنند. در این بخش به حرکت با پا و بدون اندام و همچنین کوهنوردی و پریدن می پردازیم. لنگر انداختن پاها برای حرکت در خشکی ضروری است. توانایی افزایش کشش برای حرکت بدون لغزش روی سطوحی مانند سطوح صخره ای صاف و یخ مهم است و به ویژه برای حرکت در سربالایی بسیار مهم است. مکانیسم‌های بیولوژیکی متعددی برای ستون سازی  وجود دارد: پنجه‌ها به مکانیسم‌های مبتنی بر اصطکاک متکی هستند، پاهای مارمولک بر نیروهای واندروالس متکی است، و برخی از پاهای حشرات بر روی نیروهای چسبندگی سیال واسط متکی هستند.
   
تصویر: Rhex، یک روبات شش‌پداله قابل اعتماد
 

حرکت با پا

روبات‌های پا دار ممکن است بسته به کاربرد یک، دو، چهار، شش، یا تعداد زیادی پا داشته باشند. یکی از مزایای اصلی استفاده از پاها به جای چرخ، حرکت مؤثرتر در محیط ناهموار است. حرکت دوپا، چهارپا و شش پا از جمله محبوب ترین انواع حرکت پا در زمینه روباتیک با الهام از زیست است.

Rhex، یک روبات شش‌پای قابل اعتماد، و چیتا دو روبات با سریع‌ترین دوندگی تاکنون هستند. iSprawl یکی دیگر از روبات‌های شش‌پایی است که از حرکت سوسک الهام گرفته شده است که در دانشگاه استنفورد توسعه داده شده است.


این روبات می تواند تا 15 برابر طول بدن خود در ثانیه بدود و تا 2.3 متر بر ثانیه سرعت بگیرد. نسخه اصلی این روبات به صورت پنوماتیک هدایت می شد در حالی که نسل جدید از یک موتور الکتریکی برای حرکت استفاده می کند.
 

حرکت بدون اندام

زمینِ شامل توپوگرافی در طیف وسیعی از مقیاس های طولی می تواند برای اکثر موجودات و روبات های زیست تقلیدی چالش برانگیز باشد. از چنین زمین هایی به راحتی توسط موجودات بی دست و پا مانند مارها عبور می شود. چندین حیوان و حشراتی از جمله کرم ها، حلزون ها، کرم ها و مارها قادر به حرکت بدون اندام هستند.

مروری بر روبات‌های مار مانند توسط Hirose و همکارانش ارائه شده است. این روبات‌ها را می‌توان به روبات‌هایی با چرخ‌های غیرفعال یا فعال، روبات‌هایی با آج‌های فعال و روبات‌های موج‌دار با استفاده از امواج عمودی یا انبساط‌های خطی طبقه‌بندی کرد. بیشتر روبات‌های مار مانند از چرخ‌هایی استفاده می‌کنند که هنگام حرکت به سمت دیگر اصطکاک بالایی دارند اما هنگام غلتیدن به سمت جلو اصطکاک کمی دارند (و می‌توان از چرخش به عقب جلوگیری کرد).

اکثر روبات‌های مار مانند از حرکت موج‌دار جانبی یا حرکت مستقیم استفاده می‌کنند و در بالا رفتن عمودی مشکل دارند. Choset اخیراً یک روبات مدولار ساخته است که می تواند چندین راه رفتن مار را تقلید کند، اما نمی تواند حرکت کنسرتینا یا آکاردئونی را انجام دهد (حرکت کنسرتینا حرکتی است که در مارها و سایر ارگانیسم‌های بدون پا رخ می‌دهد که شامل گرفتن یا لنگر انداختن بخش‌هایی از بدن در حین کشیدن یا هل دادن سایر بخش‌ها در جهت حرکت است).

محققان شرکت Georgia Tech اخیراً دو روبات مار مانند به نام Scalybot ساخته اند. تمرکز این روبات ها بر نقش فلس های شکمی مار در تنظیم خواص اصطکاک در جهات مختلف است. این روبات‌ها می‌توانند به طور فعال پولک‌های خود را کنترل کنند تا ویژگی‌های اصطکاکی خود را تغییر دهند و به طور مؤثر بر روی سطوح مختلف حرکت کنند. محققان در CMU روبات‌های مار مانند فلس‌دار و معمولی را توسعه داده‌اند.
 

صخره نوردی

کوهنوردی به ویژه کار دشواری است زیرا اشتباهاتی که کوهنورد مرتکب می شود ممکن است باعث شود که کوهنورد قدرت خود را از دست بدهد و سقوط کند. بیشتر روبات ها حول یک عملکرد واحد ساخته شده اند که در همتایان بیولوژیکی آنها مشاهده شده است. Geckobotها معمولاً از نیروهای واندروالس استفاده می‌کنند که فقط روی سطوح صاف کار می‌کنند. دانشمندان دانشگاه استنفورد با الهام از مارمولک ها به طور مصنوعی خاصیت چسبندگی یک مارمولک را بازسازی کردند.

مشابه سیخول (یا seta که زایده های باریک و جلدی بدن معمولاً حشرات است) در پای مارمولک، میلیون ها ریز فیبر قرار داده شد و به یک فنر متصل شد. نوک ریز فیبر در شرایط معمول تیز و نوک تیز خواهد بود، اما با فعال شدن، حرکت فنر باعث ایجاد تنش می شود که این میکروالیاف را خم می کند و سطح تماس آنها را با سطح شیشه یا دیوار افزایش می دهد.

با استفاده از همین فناوری، گیره های مارمولک توسط دانشمندان ناسا برای کاربردهای مختلف در فضا اختراع شد. Stickybotها از چسب های خشک جهت دار استفاده می کنند که بهترین عملکرد را روی سطوح صاف دارند. Spinybot  و روبات RiSE از جمله روبات‌های حشره ه‌مانندی هستند که به جای آن از ستون فقرات استفاده می‌کنند.

روبات های کوهنورد پا دار دارای محدودیت های متعددی هستند. آنها نمی توانند از عهده موانع بزرگ برآیند زیرا انعطاف پذیر نیستند و به فضای وسیعی برای حرکت نیاز دارند. آنها معمولاً نمی توانند از سطوح صاف و ناهموار بالا بروند یا انتقال عمودی به افقی را نیز انجام دهند.
 

پریدن

یکی از کارهایی که معمولاً توسط موجودات زنده مختلف انجام می شود پریدن است. بهارال (گوسفند آبی هیمالیایی که گونه ای از بزسانان است)، خرگوش، کانگورو، ملخ، کک و ملخ از بهترین حیوانات پرشی هستند. یک روبات مینیاتوری پرشی 7 گرمی با الهام از ملخ در EPFL ساخته شده است که می تواند تا 138 سانتی متر بپرد.

رویداد پرش با آزادسازی کشش فنر القا می شود. بلند پرش ترین روبات مینیاتوری پرنده که از ملخ الهام گرفته شده است، و دارای وزن 23 گرم است و بالاترین جهش آن به 365 سانتی متر می رسد "TAUB" (دانشگاه تل آویو و کالج مهندسی Braude) نام دارد.

این روبات از فنرهای پیچشی به عنوان ذخیره انرژی استفاده می کند و دارای مکانیزم سیم و چفت برای فشرده سازی و رها کردن فنرها است. ETH Zurich یک روبات پرش نرم را بر اساس احتراق متان و گاز خنده گزارش کرده است. انبساط گاز حرارتی در داخل محفظه احتراق نرم حجم محفظه را به شدت افزایش می دهد.

این باعث می شود روبات 2 کیلوگرمی تا 20 سانتی متر بپرد. روبات نرمی که از یک اسباب بازی رولی-پلی الهام گرفته شده است، پس از فرود، خود را به حالت عمودی تغییر می دهد.
 

طبقه بندی رفتاری (حرکت آبی)

شنا (حرکت ماهیوار)

محاسبه می‌شود که، برخی از ماهی‌ها، هنگام شنا می‌توانند راندمان پیشرانه‌ای بیش از 90 درصد به دست آورند. علاوه بر این، آنها می توانند به مراتب بهتر از هر قایق یا زیردریایی ساخته دست بشر شتاب گیرند و مانور دهند و صدا و مزاحمت آب کمتری ایجاد کنند.

بنابراین، بسیاری از محققانی که روی روبات‌های زیر آب مطالعه می‌کنند، مایلند این نوع حرکت را کپی کنند. نمونه‌های قابل توجه ماهی روباتیک G9 علوم کامپیوتر دانشگاه اسکس، و روبات ماهی تُن ساخته شده توسط مؤسسه روباتیک صحرایی، برای تجزیه و تحلیل و مدل‌سازی ریاضی حرکت thunniform هستند.

پنگوئن آبی که توسط فستو آلمانی طراحی و ساخته شده است، از شکل ساده و نیروی محرکه‌ای که توسط «بالهای» جلویی پنگوئن‌ها ایجاد می‌شود، کپی می‌کند. فستو همچنین Aqua Ray و Aqua Jelly را ساخته است که به ترتیب حرکت مانتا ری و چتر دریایی را شبیه سازی می کنند.
 
تصویر: ماهی روباتیک: iSplash-II
 
در سال 2014، iSplash-II توسط دانشجوی دکتری ریچارد جیمز کلافم و پروفسور Huosheng Hu در دانشگاه اسکس توسعه یافت. این اولین ماهی روباتیکی بود که از نظر میانگین حداکثر سرعت (اندازه‌گیری شده بر حسب واحدهای طول بدن در ثانیه) و استقامت، مدت زمانی که حداکثر سرعت حفظ می‌شود، از ماهی‌های carangiform واقعی بهتر عمل می کرد. این سازه به سرعت شنای 11.6BL/s (یعنی 3.7 متر بر ثانیه) دست یافت.

اولین ساخت، iSplash-I (2014) اولین پلت فرم روباتیکی بود که یک حرکت شنای carangiform تمام بدن را اعمال می کرد که نشان داد سرعت شنا را تا 27 درصد نسبت به رویکرد سنتی شکل موج محدود خلفی افزایش می‌دهد.
 

طبقه بندی مورفولوژیکی

مدولار

 
تصویر: هوندا آسیمو: یک روبات انسان نما
 
روبات های مدولار معمولاً قادر به انجام چندین کار هستند و به طور خاص برای جستجو و نجات یا مأموریت های اکتشافی مفید هستند. برخی از روبات‌های برجسته در این دسته عبارتند از روبات الهام گرفته شده از سمندر که در EPFL ساخته شده است که می‌تواند راه برود و شنا کند،  یک روبات الهام گرفته از مار که در دانشگاه کارنگی ملون ساخته شده و دارای چهار حالت مختلف حرکت زمینی است، و یک روبات الهام گرفته شده از سوسک که می تواند بدود و بر روی انواع زمین های پیچیده بالا رود.
 

انسان نما

روبات های انسان نما روبات هایی هستند که شبیه انسان هستند یا از شکل انسان الهام گرفته شده اند. انواع مختلفی از روبات های انسان نما برای کاربردهایی مانند کمک شخصی، پذیرش، کار در صنایع یا همراهی وجود دارد. این نوع روبات ها برای اهداف تحقیقاتی نیز مورد استفاده قرار می گیرند و در ابتدا برای ساخت وسایل کمکی ارتوپدی و پروتز بهتر برای انسان ساخته شدند. پتمن یکی از اولین و پیشرفته ترین روبات های انسان نما است که در Boston Dynamics ساخته شده است.

برخی از روبات های انسان نما مانند هوندا آسیمو بیش از حد فعال هستند. از سوی دیگر، برخی از روبات‌های انسان‌نما مانند روبات توسعه‌یافته در دانشگاه کرنل وجود دارند که هیچ محرکی ندارند و به‌صورت غیرفعال از شیب کم‌عمق پایین می‌روند.
 

ازدحام

رفتار جمعی حیوانات برای چندین سال مورد توجه محققان بوده است. مورچه ها می توانند سازه هایی مانند قایق بسازند تا در رودخانه ها زنده بمانند. ماهی ها می توانند محیط خود را در گروه های بزرگ به طور مؤثرتری حس کنند. روباتیک ازدحام یک رشته نسبتاً جدید است و هدف آن ساخت روبات‌هایی است که بتوانند با هم کار کنند و داده‌ها را انتقال دهند، ساختارها را به صورت گروهی بسازند و غیره.
 

نرم

روبات‌های نرم روبات‌هایی هستند که کاملاً از مواد نرم تشکیل شده‌اند و از طریق فشار پنوماتیک حرکت می‌کنند، شبیه به اختاپوس یا ستاره‌های دریایی. چنین روبات هایی به اندازه کافی انعطاف پذیر هستند تا در فضاهای بسیار محدود (مانند بدن انسان) حرکت کنند. اولین روبات نرم چند اسلوبه در سال 2011 و اولین روبات نرم کاملاً یکپارچه و مستقل (با باتری های نرم و سیستم های کنترل) در سال 2015 توسعه یافت.
 

سیستم های مکانیکی و حرکتی

ظهور روبات‌ها در اتوماسیون منجر به پیدایش کمک‌های انسان‌نما شده است. این را می‌توان در روبات‌های مشارکتی (کوبات‌ها) مانند باکستر از Rethink Robotics یا کوبات‌های UR از روبات‌های جهانی مشاهده کرد. بازوی روباتیک استاندارد جدیدی در کمک اتوماسیون است زیرا ما مجبور نیستیم محیط انسانی را تغییر دهیم تا این روبات ها به طور موثر کار کنند. این روبات‌های انسان‌نما می‌توانند ماشین‌های دستی را انتخاب، مکان یابی و قرار دهند و کار کنند.
 
با این حال، شکل انسان کارآمدترین شکل برای انعکاس یک روبات نیست. Sangbae Kim، رهبر روباتیک زیستی و استاد مؤسسه فناوری ماساچوست، می‌گوید که روبات‌های صنعتی «برای انجام وظایف کنترل موقعیت صلب و دقیق در یک مکان ثابت طراحی شده‌اند... [به هر حال] روبات‌های تولیدی برای کنترل نیرو در موقعیت‌های دینامیکی طراحی نشده‌اند».

هدف بیو رباتیک طراحی ماشینی است که بتواند با محیط و موقعیت های پویا مانند تماس با زمین تعامل داشته باشد. کیم خاطرنشان می کند که "وقتی صحبت از روبات های متحرک به میان می آید، الگوی طراحی باید کاملاً متفاوت از روبات های صنعتی باشد."

چندین شرکت و گروه تحقیقاتی بر روی روبات‌های الهام‌گرفته از زیست‌شناسی تمرکز کرده‌اند تا ماشین‌های واکنش‌پذیرتری ایجاد کنند که زمان آسان‌تری برای دستکاری محیط خود داشته باشند.  
مثالی از این نوع روباتیک، Octobot از دانشگاه هاروارد است. Octobot به دو روش متمایز برتری دارد. اول این که این یک روبات نرم است که همه اجزای مکانیکی را با سیستم های نرم مشابه جایگزین می کند و دوم این که خودگردان است.

این روبات به صورت سه بعدی پرینت شده است و کانال هایی برای کنترل قدرت و حرکت منبت کاری شده است، و حرکت از طریق کنترل های پنوماتیکی توسط گاز پراکسید هیدروژن که سوخت مایع روبات نیز می باشد، تأمین می شود. یک مدار، آنالوگ نرم یک نوسانگر الکترونیکی ساده، زمانی که پراکسید هیدروژن به گاز تجزیه می‌شود و روبات را باد می‌کند، ان را کنترل می‌کند.

گاز از میان اندام ها عبور می کند و شبکه میکروسیال بر اساس بازخورد خارجی، اندام های مربوطه را خاموش می کند. هنگامی که یک اندام شروع به تخلیه می کند، گاز به سمت دیگری هدایت می شود تا روبات بتواند حرکت کند.  «تحقیق نشان می‌دهد که ما می‌توانیم به راحتی اجزای کلیدی یک روبات ساده و کاملاً نرم را بسازیم، که پایه و اساس طرح‌های پیچیده‌تر را می‌سازد».  
مثال دیگر، هگزا، ربات شش پا، است. Hexa از Vincross یک روبات شش پای جدید است که به کاربران اجازه می دهد آن را از طریق تلفن هوشمند خود کنترل کنند. این روبات از حسگرهای مختلفی برای تعیین جهت خود و حرکت در اطراف زمین استفاده می کند. توانایی بالا رفتن از پله ها و تعادل در زمین های ناهموار را بدون نیاز به کنترل تک تک پاها دارد.

طراحی شش پا به روبات اجازه می دهد تا با داشتن قابلیت تعادل بهتر، در مصرف انرژی صرفه جویی کند. به گفته اندی زو، مدیر اجرایی Vincross، این روبات "فقط به سه پا برای ایستادن روی زمین نیاز دارد و ما می توانیم از سه پایه دیگر برای حفظ تعادل یا بالا رفتن از پله ها استفاده کنیم." سنسورهای موجود در ربات Hexa یک دوربین دیجیتال با قدرت دید در شب، یک شتاب سنج 3 محوره، سنسور اندازه گیری فاصله و یک فرستنده مادون قرمز هستند.
 
منبع: machinedesign