1

در عصری که با اختراعات و کشفیات شگفت‌انگیز پر شده است، امکانات نوآوری در فناوری رباتیک به نظر بی‌پایان می‌آیند. در میان این دستاوردها، تیمی از دانشمندان در موسسه علوم توکیو رویکردی منحصر به فرد برای کنترل پرواز رباتیک یافته‌اند که می‌تواند صنعت پرواز ربات‌ها را دگرگون کند.

روش آن‌ها چیست؟ حس‌گری باد الهام گرفته از طبیعت با استفاده از حسگرهای تغییر شکل بر روی بال‌های انعطاف‌پذیر. این تحقیق که به رهبری پروفسور هیراتو تاناکا انجام شده است، پتانسیل حس‌گری تغییر شکل بال‌ها را برای تحول در ربات‌های پرنده با بال زدن نشان می‌دهد.

الهام از طبیعت برای بال‌های رباتیک

حشرات پرنده و پرندگان دارای گیرنده‌های مکانیکی در بال‌های خود هستند که داده‌های حس‌گری تغییر شکل را جمع‌آوری می‌کنند و احتمالاً به کنترل پرواز آن‌ها کمک می‌کنند.

این گیرنده‌ها به آن‌ها این امکان را می‌دهند که تغییرات باد، حرکت بدن و شرایط محیطی را تشخیص دهند و تنظیمات پاسخ‌گویانه‌ای در حین پرواز انجام دهند.

محققان از این سیستم‌های طبیعی الهام گرفتند و سعی کردند عملکرد آن‌ها را در بال‌های رباتیک شبیه‌سازی کنند.

پروفیسور تاناکا توضیح می‌دهد: “ربات‌های پرنده کوچک به دلیل محدودیت‌های شدید در وزن و اندازه نمی‌توانند از دستگاه‌های سنتی حس‌گری جریان استفاده کنند. بنابراین، مفید خواهد بود اگر بتوان از حس‌گری تغییر شکل بال‌ها برای شناسایی مستقیم شرایط جریان بدون نیاز به دستگاه‌های اضافی استفاده کرد.”

بال‌هایی با طراحی دقیق: بال‌هایی با هدف

تیم تحقیقاتی هفت حسگر تغییر شکل کم‌هزینه و در دسترس را به یک ساختار بال انعطاف‌پذیر که بال‌های مرغ مگس‌خوار را شبیه‌سازی می‌کند، متصل کرد.

این بال‌ها از میله‌های مخروطی شکل ساخته شده‌اند که فیلم بال‌ها را پشتیبانی می‌کنند و به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که ساختار بال‌های طبیعی را به‌طور دقیق تقلید کنند.

بال‌ها به مکانیزم بال زدن متصل شده‌اند که توسط یک موتور DC و سیستم یوک اسکاتش هدایت می‌شود و 12 چرخه بال زدن در هر ثانیه تولید می‌کند.

تیم تحقیقاتی این setup را در معرض سرعت باد 0.8 متر بر ثانیه در یک تونل باد قرار دادند و تغییر شکل بال‌ها را تحت هفت جهت باد مختلف (0°، 15°، 30°، 45°، 60°، 75° و 90°)، همراه با یک وضعیت بدون باد اندازه‌گیری کردند.

داده‌های تغییر شکل با استفاده از مدل شبکه عصبی کانولوشنی (CNN) برای طبقه‌بندی شرایط مختلف باد تجزیه و تحلیل شد.

دستیابی به نتایج شگفت‌انگیز

نتایج بسیار جالب بود. محققان با استفاده از داده‌های تغییر شکل در یک چرخه کامل بال زدن، دقت طبقه‌بندی 99.5% را به‌دست آوردند.

حتی با داده‌های کوتاه‌تر از تنها 0.2 چرخه بال زدن، دقت همچنان بالا و معادل 85.2% باقی ماند. تجزیه و تحلیل‌های بیشتر نشان داد که حتی با داده‌های یک حسگر تغییر شکل، دقت طبقه‌بندی برای یک چرخه بال زدن بین 95.2% تا 98.8% متغیر بود.

اما این دقت زمانی که از داده‌های کوتاه‌تر 0.2 چرخه استفاده می‌شد، به 65.6% یا کمتر کاهش می‌یافت.

علاوه بر این، حذف میله‌های داخلی بال‌ها باعث کاهش دقت طبقه‌بندی شد که اهمیت ساختارهای بال بیومیمتیک در تقویت توانایی‌های حس‌گری باد را نشان داد.

چشم‌اندازی برای پرواز رباتیک

پروفسور تاناکا گفت: “این مطالعه به درک روزافزون این موضوع کمک می‌کند که پرندگان و حشرات شناور ممکن است از طریق حس‌گری تغییر شکل بال‌های خود به حساسیت نسبت به باد پی ببرند که این امر برای کنترل پرواز پاسخ‌گو مفید خواهد بود.”

“سیستم مشابهی می‌تواند در ربات‌های پرنده با بال زدن بیومیمتیک با استفاده از حسگرهای تغییر شکل ساده به واقعیت بپیوندد.”

این تحقیق پتانسیل عظیم فناوری الهام گرفته از طبیعت را در پیشبرد پرواز رباتیک به نمایش می‌گذارد.

با یادگیری از طبیعت، این دانشمندان دروازه‌ای را به سوی ربات‌های هوشمندتر و سازگارتر که قادر به حرکت در محیط‌های پیچیده با دقت هستند، گشوده‌اند.

کاربردهای بالقوه در رباتیک و فراتر از آن

پیامدهای این تحقیق فراتر از بهبود پرواز رباتیک است. استفاده از حسگرهای تغییر شکل در بال‌های انعطاف‌پذیر پتانسیل انقلاب در صنایع مختلف را دارد.

برای مثال، این سیستم‌های بیومیمتیک می‌توانند در ربات‌های پرنده کوچک طراحی شده برای واکنش به بلایای طبیعی ادغام شوند که در آن‌ها کنترل دقیق پرواز برای حرکت در محیط‌های چالش‌برانگیز ضروری است.

پهپادهایی که به این فناوری مجهز هستند، همچنین می‌توانند در انجام وظایفی مانند نظارت بر محیط‌زیست، عملیات جستجو و نجات، و کاربردهای کشاورزی موفق باشند.

علاوه بر این، ویژگی سبک و مقرون به‌صرفه حسگرهای تغییر شکل آن‌ها را به گزینه‌ای جذاب برای مقیاس‌بندی این سیستم‌ها در زمینه‌های تجاری و نظامی تبدیل می‌کند.

برای مثال، پهپادهای تحویل در مناطق شهری می‌توانند از قابلیت‌های پیشرفته حس‌گری باد بهره‌مند شوند و پروازهای روان‌تری در شرایط آب و هوایی پیش‌بینی‌ناپذیر داشته باشند.

این مطالعه همچنین درهای جدیدی را برای تحقیقات بیشتر در زمینه بیومیمتیک باز می‌کند. این امر می‌تواند الهام‌بخش توسعه‌هایی در سایر حوزه‌ها، مانند رباتیک زیرآبی یا حتی اکتشافات فضایی باشد، جایی که حرکت سازگار در محیط‌های شبیه به مایعات ضروری است.

این تحقیق کامل در مجله Advanced Intelligent Systems منتشر شد.