tree

ساخت ربات این بار با الهام از مخروط درخت کاج

آینده‌ی علم مهندسی و رباتیک زیستی با استفاده از داده‌های به دست آمده از گیاهان بسیار سودمند به نظر می‌رسد. در این مقاله با برنامه‌ی پژوهشگران برای ساخت ربات‌های کوچک با الگوبرداری از سازوکار گیاهان آشنا می‌شویم.

بیشتر ربات‌های ساخته شده با شبیه‌سازی حرکات حیوانات ساخته می‌شوند. البته گیاهان هم حرکت می‌کنند، ولی حرکات آنها بسیار کند است و بیشتر حرکات آنها با چشم غیرمسلح قابل رویت نیستند. مکانیزمی که گیاهان برای حرکت استفاده می‌کنند از مکانیزم متکی به ماهیچه‌ی  بدن جانوران بسیار ساده‌تر است. برخی گیاهان مانند برگ‌های میموزا (نوعی گیاه مناطق گرمسیری)، گیاه مگس‌خوار ونوس و مخروط‌های کاج برای حرکت دادن خود از قطع و وصل جریان آب در بافت‌های گیاهی بهره می‌برند.

به اعتقاد پژوهشگران دانشگاه ملی سئول، در آینده از اطلاعات به دست آمده درباره‌ی گیاهان در زمینه‌ی مهندسی و رباتیک زیستی استفاده‌ی زیادی خواهد شد. طی شصت‌و‌هشتمین کنفرانسی که از ۲۲ تا ۲۴ نوامبر ۲۰۱۵ درباره‌ی دینامیک سیالات توسط جامعه‌ی فیزیک امریکا در بوستون برگزار شد، در مورد جزئیات مطالعات انجام شده روی گیاهان بحث شد. این مطالعات منجر به ساخت ربات‌هایی شده‌اند که به طور ویژه از تغییرات میزان رطوبت برای تولید توان خود استفاده می‌کند.

مخروط‌ها و دانه‌های کاج به تغییرات میزان رطوبت محیطی واکنش نشان می‌دهند که بررسی این واکنش‌ها در واقع اصلی‌ترین کار این گروه پژوهشی است. هو یونگ کیم (Ho-Young Kim) پروفسور بخش مهندسی مکانیک و هوافضای دانشگاه ملی سئول در این مورد می‌گوید:

برخی از دانه‌های گیاهان دارای نهنج‌هایی هستند که این نهنج‌ها تمام اطلاعات ژنتیکی دانه را در خود دارند. این نهنج در امتداد یک اندام مکمل موسوم به ریشک (awn) قرار گرفته‌اند که این ریشک‌ها همانند اسپرم در جانوران عمل کرده و در گیاه وظیفه‌ی جابجایی و حرکت را بر عهده دارند. ریشک‌ها از دو بافت لایه‌ای درست شده‌اند که یک بافت در برابر تغییرات رطوبت کاملا مقاوم بوده (غیرفعال) و بافت دیگر با تغییرات رطوبت متورم می‌شود که به عنوان لایه‌ی فعال شناخته می‌شود.

در صورت افزایش رطوبت محیطی، لایه‌ی فعال در نتیجه‌ی تغییرات در راستای طولی متورم شده و همچنین خم می‌شود. تغییرات رطوبت دوره‌ای باعث می‌شود که این لایه به طور مداوم خم شده و به حالت اولیه بازگردد و از این تغییرات حرکت مداوم می‌توانیم نتیجه بگیریم که تغییرات رطوبت محیطی به کار مکانیکی تبدیل می‌شود. کیم در ادامه می‌گوید:

ما با تقلید از طرز کار این لایه تصمیم گرفتیم یک فعال‌گر (actuator) بسازیم که بتواند با تغییرات درجه‌ی رطوبت محیط حرکت ایجاد کند. گیاهان بسیار کند حرکت می‌کنند و ما برای اینکه یک ساختار مفید ایجاد کنیم باید از روش‌های جدیدی برای ساخت این لایه‌ی فعال استفاده می‌کردیم. با افزایش نسبت مساحت سطح به حجم لایه فرآیند پاسخ‌دهی سریع‌تر انجام می‌شود و ما برای افزایش سرعت این لایه، فیبرهای فعال بسیار ریز در مقیاس نانو را روی لایه‌ی غیرفعال این ریشک قرار دادیم تا به این ترتیب سطح مقطع را افزایش داده باشیم تا لایه بتواند رطوبت بیشتری را جذب کرده و واکنش سریع‌تری داشته باشد. البته ایجاد یک حرکت مکانیکی که محدود به خم و راست شدن لایه باشد توانایی حرکت دادن ربات را ندارد و باید بتوانیم این حرکات را به حرکت در راستای مستقیم تبدیل کنیم تا در ادامه رباتی بسازیم که توانایی حرکت داشته باشد. بنابراین ما به فعال‌گرمان پاهای مکانیکی هم متصل کردیم که این پاها ربات را فقط در جهت مستقیم قادر به حرکت می‌کند. این پاها را اصطلاحا چرخ‌وضامن (ratchet)می‌گویند.

کار گروه بسیار جالب توجه است؛ چون آنها توانسته‌اند برای اولین بار از تغییرات رطوبت محیطی و بدون کمک گرفتن از نیروی الکتریکی یک جسم را حرکت دهند. تصور کنید ربات‌هایی ساخته شوند که بدون نیروی الکتریکی و با کمک گرفتن از تغییرات میزان رطوبت هوا کار کنند؛ در واقع همان کاری که برخی گیاهان انجام می‌دهد. کیم می‌گوید:

ظاهرا کار ساده‌ای به نظر می‌آید و ساختن لایه‌های فعال برای ربات‌ها کار خیلی دشواری نیست؛ اما ساخت یک لایه‌ی سریع که عملکرد مفیدی داشته باشد نیاز به تخصص بالایی دارد.

گروه همچنین یک مدل ریاضی هم برای ربات‌ها طراحی کرده‌اند تا بر اساس آن بهینه‌ترین حالت‌های طراحی را برای ساخت سریع‌ترین ربات‌ها در اندازه‌های دلخواه به دست‌ آورند. یکی از ارزشمندترین نقاط کار این گروه در رابطه با ساخت میکروربات‌های که با تغییرات رطوبت هوا کارمی‌کنند این است که تغییرات رطوبت هوا همیشه و همه‌جا در دسترس است.

معمولا روزها هوا خشک‌تر بوده و شب‌ها مقدار رطوبت هوا بیشتر می‌شود و همین تغییرات دوره‌ای رطوبت هواست که گیاهان را قادر می‌سازد تا دانه‌های خود را زیر زمین نگه دارند. تغییرات رطوبت حتی وقتی ما تنفس می‌کنیم هم رخ می‌دهد؛ چون هوای خشک‌تر را وارد بدن خود می‌کنیم و هنگام بازدم رطوبت هوای خارج شده بیشتر است.  نکته‌ی مهمی که وجود دارد این است که پوست بدن انسان نسبت به هوای اطراف مرطوب‌تر است. و این گرادیان رطوبت در واقع اصلی‌ترین گزینه‌ای است که ما می‌خواهیم از آن استفاده کنیم.

گروه در حال بررسی امکان کار گذاشتن یک ربات ریز روی پوست انسان هستند. کیم در مورد این برنامه می‌گوید:

طرح مورد نظر ما این است که با خم شدن بدن به مقدار جزیی، بخشی از ربات از پوست بدن دور شده و در هوای اتمسفر قرار گیرد و پس از چند لحظه که دوباره به پوست بدن نزدیک می‌شود از تغییرات رطوبت ایجاد شده برای تولید حرکت استفاده شود. این سیکل می‌تواند ادامه پیدا کرده و ربات متناوبا از تغییرات رطوبت بین هوای اطراف و سطح پوست بدن استفاده خواهد کرد.

هدف این گروه در واقع به کار بردن این روش برای ساخت ربات‌های پزشکی کوچکی است که بتوانند روی پوست انسان عملکرد خوبی داشته باشند. کیم در این باره می‌گوید:

چنین رباتی می‌تواند روی پوست انسان برای کارهایی همچون ضدعفونی کردن زخم‌ها، برداشتن چین و چروک پوست و همچنین پرورش بافت‌های پوستی به کار برده شود.

رضا روحی

درباره ی رضا روحی

رضا روحی
دانشجوی کارشناسی ارشد کامپیوتر گرایش نرم افزار ، علاقه مند به زبان های برنامه نویسی ، علاقه مند به رباتیک

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

*

code