مستوحى من الميكانيكا الحيوية مانتا راي: “روبوت الفراشة” هو أسرع روبوت طري للسباحة على الإطلاق
مستوحى من الميكانيكا الحيوية في مانتا راي، طور الباحثون روبوتًا مرنًا موفرًا للطاقة يمكنه السباحة أسرع بأربع مرات من الروبوتات اللينة السابقة للسباحة. الائتمان: جامعة ولاية نورث كارولاينا
طور الباحثون روبوتًا مرنًا موفرًا للطاقة، يمكنه السباحة أسرع بأربع مرات من الروبوتات اللينة السابقة للسباحة من خلال استلهام الإلهام من الميكانيكا الحيوية لأشعة مانتا راي. تم تطوير الروبوتات في جامعة ولاية كارولينا الشمالية (ولاية نورث كارولاينا)، وتسمى الروبوتات “روبوتات الفراشة”، لأن حركتها في السباحة تشبه الطريقة التي تتحرك بها أذرع الشخص عندما يسبح بضربة الفراشة.
يقول جي يين ، مؤلف كتاب ورقة عمل وأستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية والفضائية في ولاية نورث كارولاينا. “أردنا الاعتماد على الميكانيكا الحيوية لهذه الحيوانات لمعرفة ما إذا كان بإمكاننا تطوير روبوتات لينة أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. النماذج الأولية التي طورناها تعمل بشكل جيد للغاية. “
مستوحى من الميكانيكا الحيوية لشعاع مانتا راي، طور باحثون في جامعة ولاية كارولينا الشمالية روبوتًا ناعمًا موفرًا للطاقة يمكنه السباحة بأكثر من أربع مرات أسرع من الروبوتات اللينة السابقة للسباحة. تسمى الروبوتات “روبوتات الفراشة”، لأن حركتها في السباحة تشبه الطريقة التي تتحرك بها أذرع الشخص عندما يسبح بضربة الفراشة. الائتمان: جي يين ، جامعة ولاية نورث كارولاينا
طور الباحثون نوعين من روبوتات الفراشة. تم تصميم أحدهما خصيصًا للسرعة وكان قادرًا على الوصول إلى سرعات متوسطة تبلغ 3.74 طولًا للجسم في الثانية. تم تصميم الثانية لتكون عالية القدرة على المناورة، وقادرة على القيام بمنعطفات حادة إلى اليمين أو اليسار. كان هذا النموذج الأولي القابل للمناورة قادرًا على الوصول إلى سرعات 1.7 طول جسم في الثانية.
“الباحثون الذين يدرسون الديناميكا الهوائية والميكانيكا الحيوية يستخدمون شيئًا يسمى رقم ستروهال لتقييم كفاءة الطاقة للحيوانات الطائرة والسباحة” ، كما يقول ييندينج تشي، المؤلف الأول للورقة البحثية والدكتوراه الحديثة. خريج ولاية نورث كارولاينا. تحدث ذروة كفاءة الدفع عندما يسبح حيوان أو يطير برقم ستروهال بين 0.2 و0.4. كان لكل من روبوتات الفراشة أرقام ستروهال في هذا النطاق “.
تستمد روبوتات الفراشة قوتها في السباحة من أجنحتها، وهي “ثنائية الاستقرار”، مما يعني أن الأجنحة لها حالتان ثابتتان. الجناح مشابه لمقطع الشعر المفاجئ. يظل مشبك الشعر مستقرًا حتى تقوم بتطبيق قدر معين من الطاقة (عن طريق ثنيه). عندما تصل كمية الطاقة إلى نقطة حرجة، يستقر مشبك الشعر في شكل مختلف – وهو أيضًا مستقر.
طور باحثون من جامعة ولاية كارولينا الشمالية مؤخرًا سباحًا آليًا ناعمًا سريعًا وفعالًا يسبح شبيهًا بأسلوب ضربة الفراشة للإنسان. يمكن أن يحقق متوسط سرعة سباحة عاليًا يبلغ 3.74 طول جسم في الثانية، أي أسرع بخمس مرات من أسرع سباحين مرنين مشابهين، وأيضًا كفاءة عالية في الطاقة مع تكلفة منخفضة للطاقة. السباح صغير الحجم خفيف الوزن ويبلغ وزنه 2.8 جرام فقط. لها جسم ناعم وزوج من الأجنحة ذات الثبات. تصميم الجناح مستوحى من مشابك الشعر ذات الثبات. يمكن أن ينحني الجسم الناعم لأعلى ولأسفل مدفوعًا بهواء هوائي مضغوط، مما يؤدي بالتالي إلى تحريك الأجنحة بسرعة عن طريق العض، وهي ظاهرة غالبًا ما تُلاحظ في مصيدة الذباب الزهرة.
في روبوتات الفراشة، الأجنحة ثنائية الاستقرار المستوحاة من مشبك الشعر متصلة بجسم سيليكون ناعم. يتحكم المستخدمون في التبديل بين الحالتين المستقرتين في الأجنحة عن طريق ضخ الهواء في الغرف داخل الجسم اللين. عندما تنتفخ هذه الغرف وتنكمش، ينحني الجسم لأعلى ولأسفل – مما يجبر الأجنحة على الانقلاب معها ذهابًا وإيابًا.
يقول يين: “ركزت معظم المحاولات السابقة لتطوير روبوتات رفرفة على استخدام المحركات لتزويد الأجنحة بالطاقة مباشرة”. “نهجنا يستخدم أجنحة ثنائية الاستقرار يتم تحريكها بشكل سلبي عن طريق تحريك الجسم المركزي. هذا تمييز مهم، لأنه يسمح بتصميم مبسط يقلل من الوزن “.
يحتوي روبوت الفراشة الأسرع على “وحدة قيادة” واحدة فقط – وهي الجسم الناعم – التي تتحكم في كلا جناحيها. هذا يجعله سريعًا جدًا، ولكن من الصعب الدوران يسارًا أو يمينًا. يحتوي روبوت الفراشة القابل للمناورة بشكل أساسي على وحدتي قيادة، متصلتين جنبًا إلى جنب. يسمح هذا التصميم للمستخدمين بمعالجة الأجنحة على كلا الجانبين، أو “رفرفة” جناح واحد فقط، وهو ما يمكّنه من إجراء انعطافات حادة.
يقول يين: “هذا العمل هو إثبات مثير للمفهوم، لكن له حدودًا”. “من الواضح أن النماذج الأولية الحالية مقيدة بأنابيب رفيعة، وهو ما نستخدمه لضخ الهواء إلى الأجسام المركزية. نحن نعمل حاليًا على تطوير إصدار مستقل وغير مقيد “.
ستنشر الورقة البحثية بعنوان “Snapping للسباح الناعم عالي السرعة وعالي الكفاءة الذي يشبه ضربة الفراشة” في 18 تشرين الثاني (نوفمبر) في مجلة Science Advances ذات الوصول المفتوح.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
