ساخت سیستم های رباتیکی با الهام از حرکات سوسک - پرسینا بلاگ

به گزارش خبرگزاری اقتصادایران، آرش خواجه، مجری طرح تحلیل و مدل سازی بایو میمتیکی حشرات با پاهای چسبنده را عنوان این مطالعات نام برد و گفت: بایو میمتیک علم مدل سازی و الهام از طبیعت است. بعد از چندین میلیارد سال که موجودات زنده تکامل پیدا کردند، بسیاری از مکانیزم های بدنی آنها به طور طبیعی حذف و بعضی مکانیزم ها در آنها شکل گرفته و اضافه شده است.

وی با تاکید بر اینکه در روند این تکامل هوشمندی زیادی اجرا شده است، اظهار کرد: این تکامل می تواند به دلیل تغییرات ایجاد شده در ژنوم موجودات باشد و این هوشمندی موجب شد تا تکامل در دو جنبه پایین ترین میزان مصرف انرژی و بهینه ترین حالت برای شکل دریافت آن پدیده اجرا شده است. پدیده ای مانند راه رفتن انسان، دارای کمترین میزان خسارت و صدمه برای بدن، کمترین میزان مصرف انرژی، کمترین میزان خطر زیست محیطی برای انسان و بالاترین میزان بهره وری است.

این محقق ادامه داد: بر این اساس در این مطالعات در پردیس فنی دانشگاه تهران تحت سرپرستی دکتر محمود موسوی مشهدی استاد این دانشگاه کوشش شد تا نسبت به شبیه سازی حرکت حشراتی که می توانند از دیوار، سطوح ناهموار و ناصاف حرکت نمایند و قادر به حرکت به سمت بالا بوده و یا از بالا به سمت پایین آویزان شوند، اقدام شد. از این رو در این پروژه سوسک آمریکایی انتخاب شد.

خواجه، اهمیت این شبیه سازی را استفاده از حرکات حشرات در توسعه سیستم های رباتیکی و مکانیکی دانست و ادامه داد: این کار احتیاج دارد تا فرآیند حرکت این جاندار و یا حشره به طور کامل آنالیز گردد؛ چراکه هیچ گاه نمی توان تنها بر اساس دسترسی به فرمولاسیون ماده چسبنده حشرات اقدام به شبیه سازی کرد و احتیاج به شناخت ماهیت این حشره داشتیم.

دانش آموخته دانشگاه تهران با اشاره به شبیه سازی مکانیزم استفاده از انگشت دست انسان در زمانی که از دیوار بالا می رود، با تاکید بر اینکه معین است که بدن نمی تواند با هر فرمی از دیوار بالا برود، اظهار کرد: از این رو احتیاج است تا با آنالیز جزئیات حرکات، معین گردد که در هر شرایطی جاندار از کدام بخش از بدن خود استفاده می نماید.

خواجه با بیان اینکه در این مطالعات ما نیز مطالعات گسترده ای بر روی حرکات سوسک اجرایی کردیم، خاطر نشان کرد: برای این منظور محیط آزمایشگاهی را به گونه ای ایجاد کردیم که بتوانیم مکانیزم حرکتی سوسک را هم در فضای باز و هم در فضای آزمایشگاهی شبیه سازی کنیم.

به گفته وی به منظور آنالیز مکانیزم حرکتی بدن سوسک در فضای آزمایشگاهی، سیستمی طراحی شد تا سوسک بر روی صفحات مختلف راه برود. این سیستم به گونه ای طراحی شد که امکان تغییر شکل و زاویه سطح را داشته باشد، ضمن آنکه امکان تغییر شرایط آب و هوا، میزان رطوبت و سرعت باد در آن فراهم شده است.

خواجه با تاکید بر اینکه در حین حرکت سوسک بر روی این سطوح، از زوایای مختلف از آن فیلمبرداری شد، اظهار کرد: فیلمبرداری از 3 جهت بر حرکات سوسک زوم می شد و از این طریق حرکات پای سوسک، تغییر حرکات آن و اینکه در چه زاویه ای چه واکنشی نشان می دهد و در کجاها از قلاب و یا چسب موجود در پای خود استفاده می نماید و نحوه ترکیب حرکات پاهای آن را مورد آنالیز قرار دادیم.

به گفته محقق این طرح، در این مطالعات جزئیات ترکیب پاها، مکانیزم گام برداشتن، نوع حرکت مفاصل سوسک از زوایای مختلف مورد آنالیز نهاده شد و حرکات این حشره در شرایط مختلف شبیه سازی و با میزان رطوبت های مختلف آزمایش شد.

خواجه با بیان اینکه بر اساس داده های به دست آمده از این مطالعات متوجه شدیم که در چه زمانی سوسک از چه مکانیزمی برای حرکت استفاده می نماید، گفت: در این مطالعات ما به جای سطوح طراحی شده، سوسک را بر روی شیشه قرار دادیم تا ببینیم این حشره تا چه زاویه ای بالا می رود، ضمن آنکه در یکی از آزمایشات به این جاندار زمانی که از سطح شیب دار بالا می رود، یک نیروسنج متصل کردیم تا ببینیم چه نیرویی اعمال می گردد تا از سطح شیب دار بالا برود.

طراحی سیستمی برای تصویربرداری از حرکات سوسک

وی اضافه نمود: پس از هر دو هفته که فیلمبرداری صورت می گرفت، 3 تا 4 ماه بر روی این فیلم ها تحلیل صورت می گرفت و اسلاید به اسلاید تغییرات بدنی سوسک را مورد آنالیز قرار دادیم.

این محقق دانشگاه تهران، با اشاره به سیستم های تراکینگ موجود برای شبیه سازی حرکات، اضافه نمود: این سیستم ها پس از دریافت حرکات مختلف، آن را شبیه سازی می نماید، ولی این سیستم برای این مطالعات پاسخگو نبود؛ چراکه وقتی از موضوعی تراک می گردد، باید یک نقطه ای متضاد با سایر نقاط تعریف گردد؛ از این رو ما در این مطالعات بدن سوسک را مارک کردیم و سپس سیستم تراکینگ اتوماتیک را بر روی بدن سوسک قرار دادیم تا حرکات این حشره را بگیرد.

وی اضافه نمود: ولی مسئله ای که وجود داشت، این بود که بعد از چندین فریم سیستم تراکینگ بنا به دلایلی همچون کم بودن نور، حرکات موجود در محیط را به جای نقطه کانونی بدن سوسک در نظر می گرفت؛ از این رو چندین ماه کوشش کردیم که این سیستم تصویربرداری را اتوماتیک کنیم که پیروز نشدیم و در نهایت پس از 4 سال و نیم به سیستم تصویربرداری کنونی رسیدیم.

به گفته این محقق در حال حاضر یک سیستم ساده تصویربرداری برای برداشت حرکات حشرات در جهان موجود است و این در حالی است که سوسک دارای 6 نقطه مفصلی بر روی 6 پا است و تصویربردای همزمان از 6 مفصل با سیستم های تراکینگ امکان پذیر نیست؛ چراکه در جاهایی که سوسک می خواهد تغییر جهت دهد، به دلیل وجود 6 نقطه کانونی این نرم افزار خطا می دهد.

خواجه ادامه داد: برای حذف این خطاها جهت شبیه سازی حرکات انسان به وسیله این نرم افزار، پین هایی بر روی مفاصل سوسک نصب کردیم و دوربین بر اساس سنسورهایی که دارد، اقدام به تصویر برداری پین های نصب شده کرد. این پین ها برای حشرات، بزرگ هستند و در ابعاد میکرو و نانو نیستند، ضمن آنکه دوربین ها نیز قابلیت دنبال کردن پین های با ابعاد نانو را ندارند.

این محقق، با بیان اینکه از آنجایی که کار فیلمبرداری از حرکات سوسک دستی صورت گرفت که بسیار زمان بر بود، ادامه داد: در تحلیل هایی که بر روی اسلایدهای به دست آمده داشتیم، تفاوت حرکات چندین سوسک را مورد آنالیز قرار دادیم تا نتایج آزمایش های اجرا شده از اعتبار مناسبی برخوردار باشد.

وی تاکید نمود: برای تصویربرداری از دوربین پرسرعت استفاده شده است.

یافته های نوینی که به دست آمده

خواجه، مشخص مکانیزم حرکت سوسک و ترکیب 6 پای آن زمانی که قلاب می گردد را از دستاوردهای این مطالعات دانست و خاطر نشان کرد: تاکنون در جهان محققان بر این باور بودند که شرایط حرکات پای حشرات 6 پا یکنواخت است، ولی ما دریافتیم که نحوه گام برداشتن این حشرات بسته به شرایط، متفاوت است. به این معنا با توجه به زاویه و شیب سطح، ترکیب حرکات پا تغییر خواهد نمود.

وی، این تغییر رفتار حشرات 6 پا را در این دانست که در دوره تکاملی، این حشره حس نموده است که اگر ترکیب حرکات پای خود را تغییر ندهد میزان مصرف انرژی افزایش خواهد یافت و یا بهره وری لازم را ندارد؛ از این رو به چسب بیشتری احتیاج دارد و برای افزایش بهره وری از روش های دیگری استفاده نموده است.

خواجه، نحوه بالا و پایین کردن دست و پا در حرکت از سطوح مختلف را از دیگر یافته های این مطالعات نام برد و یادآور شد: تاکنون در منابع علمی نحوه استفاده از مکانیزم حرکت دست و پای حشرات 6 پا اعلام نشده بود. ضمن آنکه دریافتیم حرکت از یک سمت بدن به سمت دیگر احتیاجمند حرکتی لازم است که تا به امروز محققان به آن توجه ننموده بودند.

وی با بیان اینکه انتهای دو پای جلوی حشراتی که از دیوار بالا می رود، دو چنگک وجود دارد و این چنگک ها در جاهایی آزاد و چسب را رها می نمایند، اضافه نمود: علاوه بر آن فرکانس تکان خوردن حرکتی سوسک را با توجه به حرکات پاهای آن به دست آوردیم که در زوایای مختلف چه فرکانسی دارد.

مجری طرح با بیان اینکه در جهان بر اساس حرکات سوسک ربات هایی ساخته شده است، گفت: ما در این پروژه مدل سازی کردیم تا بتوانیم از این داده های به دست آمده در طراحی سیستم های رباتیکی بهره ببریم.

به گفته این محقق، مهمترین یافته این مطالعات، پیدا کردن مکانیزم حرکتی سوسک است که از آن برای چسبندگی استفاده می نماید.

دلایل تمرکز مطالعات بر روی سوسک

خواجه در پاسخ به این سوال که چرا در این تحقیقات از سوسک استفاده شد، در حالی که حلزون نیز این ماده چسبنده را در زمان حرکت رهاسازی می نماید، پاسخ داد: ما باید حشراتی را انتخاب می کردیم که فراوانی داشته باشد، ضمن آنکه ما علاقه ای برای الهام دریافت از حشره ای مانند حلزون در طراحی ربات نداریم، چون حشره کم سرعتی است و خصوصیاتی که مد نظر ما است را به ما ارائه نمی دهد، ضمن آنکه به میزان زیادی از چسب استفاده می نماید.

وی حلزون را یک حشره بسیار پرهزینه برای حرکت توصیف کرد و یادآور شد: حلزون بعد از طی مسافت کوتاهی، تغذیه می نماید تا مجدداً بتواند حرکت کند ولی ما در طراحی به دنبال یکسری خصوصیات هستیم. مثلاً ما برای شبیه سازی پرنده ها به دنبال تحلیل حرکات مرغ نیستیم که سیستم بدنی آن برای پرواز مناسب نیست.

خواجه با بیان اینکه در شبیه سازی، جاندارانی با حداکثر سرعت که کمترین میزان انرژی را احتیاج داشته باشد و کمترین ماده مصرفی (چسب) استفاده کند، انتخاب می گردد، اظهار کرد: سوسک در 80 درصد صعود خود از چنگک استفاده می نماید و در جاهایی که گیر می نماید، به ناچار از چسب خود بهره مند می گردد و میزان چسبی که در این مواقع استفاده می نماید، به اندازه ای ناچیز است که می تواند به مدت 3 روز تغذیه نکند و به حرکت خود ادامه دهد.

خواجه، عمر بالای سوسک آمریکایی را از دیگر دلایل استفاده از این حشره در مطالعات خود نام برد و اضافه نمود: سوسک با توجه به عمر بالایی که دارد، با شرایط محیطی و طبیعت سازگار شده است و در هر شرایطی می تواند زندگی کند و این امر نشان می دهد این حشره دارای کمترین میزان مصرف انرژی و طول عمر بالایی است.

چرا سوسک در زمان راه رفتن احتیاج به چنگک و چسب دارد

این دانش آموخته دانشگاه تهران در مورد اینکه چرا سوسک در زمان راه رفتن به چنگک و چسب احتیاج دارد، شرح داد: سوسک در زمان بالا رفتن از سطوح شیب دار احتیاج به نیروی بیشتری دارد که از چنگک موجود در پاهای خود استفاده می نماید.

وی با بیان اینکه چنگک سوسک در بدترین حالتی که امکان فرو بردن در سطح را نداشته باشد، باید به اندازه چندین میکرون در سطح فرو برود، یادآور شد: اگر سطحی مانند شیشه بسیار صاف و سخت باشد که امکان فرو بردن چنگک در آن نباشد، این حشره از چسب استفاده می نماید و بالا می رود.

این محقق با بیان اینکه این چنگک بر روی هر 6 پای این حشره وجود دارد، اظهار کرد: شبیه سازی که منطبق بر این حرکت سوسک نباشد، مصرف انرژی آن مانند این موجود به تکامل کامل نرسیده است.

مطالعات جهان بر روی شبیه سازی سوسک

این محقق دانشگاه تهران با اشاره به مطالعات شبیه سازی اجرا شده در دانشگاه هایی چون برکلی، هاروارد (مطالعه بر روی حشره ای که پرواز می نماید) و دانشگاه MIT (شبیه سازی حیوانات) و ناسا اشاره نمود.

وی فاز توسعه ای این مطالعات را طراحی و ساخت ربات هایی با الهام از حرکات سوسک در دوره پسا دکتری دانست و گفت: بخشی از مطالعات در ایران انجام خواهد شد.

خواجه، ساخت چنین ربات هایی را بسیار پر هزینه دانست و گفت: برای پروژه طراحی و ساخت ربات حشره در دانشگاه هاروارد، بودجه ای بالغ بر چند صد هزار دلار در نظر گرفته شد.

کاربرد مطالعات بایو میمتیک در جامعه علمی

محقق این طرح با تاکید بر اینکه مطالعات در این حوزه در لبه های دانش واقع شده است و یافته های آن نیز در پیشبرد علم بسیار مؤثر است، اظهار کرد: سوالی که در این زمینه مطرح می گردد، این است که چرا از عصر حجر تا کنون همچنان از چرخ استفاده می گردد؟ انسان یاد گرفته است که وقتی کسی ایده ای ارائه می دهد دیگر به سراغ کارهای نو نمی رود و این در حالی است که یکسری ایده ها هستند که تفکر و فناوری را توسعه می دهند و آینده را به جلو می برند./ایسنا

سفرهای ادلیا: سفرهای ادلیا: ارزانترین تورهای مسافرتی اروپایی، آسیایی و کانادا