حركة الروبوت

حركة الروبوت هي الاسم الجماعي للطرق المختلفة التي تستخدمها الروبوتات لنقل نفسها من مكان إلى آخر.

تتميز الروبوتات ذات العجلات عادةً بكفاءة عالية في استهلاك الطاقة وسهولة التحكم. مع ذلك، قد تكون أشكال أخرى من الحركة أكثر ملاءمة لعدة أسباب، منها على سبيل المثال اجتياز التضاريس الوعرة، والتنقل والتفاعل في البيئات البشرية. علاوة على ذلك، قد يكون لدراسة الروبوتات ثنائية الأرجل والروبوتات الشبيهة بالحشرات أثر إيجابي على علم الميكانيكا الحيوية .

يتمثل أحد الأهداف الرئيسية في هذا المجال في تطوير قدرات الروبوتات على اتخاذ قرارات مستقلة بشأن كيفية ووقت ومكان تحركها. ومع ذلك، فإن تنسيق العديد من مفاصل الروبوت حتى في أبسط الأمور، مثل صعود السلالم، أمرٌ بالغ الصعوبة. ويُعدّ التنقل الذاتي للروبوتات عقبة تقنية رئيسية أمام العديد من مجالات الروبوتات، مثل الروبوتات الشبيهة بالبشر (مثل روبوت أسيمو من هوندا ).

دفع السعي لابتكار روبوتات ذات قدرات حركية ديناميكية العلماء إلى البحث عن حلول مستوحاة من الطبيعة. وقد تم ابتكار العديد من الروبوتات القادرة على الحركة الأساسية في نمط واحد، إلا أنها تفتقر إلى العديد من القدرات، مما يحد من وظائفها وتطبيقاتها. وتبرز الحاجة إلى روبوتات عالية الذكاء في مجالات عديدة، مثل عمليات البحث والإنقاذ، وساحات المعارك، واستكشاف المناظر الطبيعية. لذا، يجب أن تكون هذه الروبوتات صغيرة الحجم، وخفيفة الوزن، وسريعة، وقادرة على الحركة في أنماط حركية متعددة. وقد استُلهم تصميم العديد من الروبوتات من حيوانات مختلفة، منها:

السناجب الطائرة (Pteromyini)

تُظهر السناجب الطائرة ( Pteromyini ) قدرة فائقة على الحركة على الأرض بفضل قدرتها على المشي على أربع بفضل أرجلها ذات درجات الحرية العالية . وفي الهواء، تنزلق هذه السناجب مستفيدةً من قوة الرفع الناتجة عن الغشاء الموجود بين أرجلها. فهي تمتلك غشاءً مرنًا للغاية يسمح لها بحركة أرجلها بحرية تامة. ^{[ 13 ]} وتستخدم هذا الغشاء المرن للانزلاق في الهواء، كما تُظهر حركة رشيقة على الأرض. إضافةً إلى ذلك، تتميز السناجب الطائرة بقدرتها على الحركة متعددة الأنماط بفضل الغشاء الذي يربط بين الأرجل الأمامية والخلفية، مما يُعزز قدرتها على الانزلاق. ^{[ 13 ]} وقد ثبت أن الغشاء المرن يتمتع بمعامل رفع أعلى من الصفائح الصلبة، ويؤخر زاوية الهجوم التي يحدث عندها التوقف. ^{[ 13 ]} كما يمتلك السنجاب الطائر حزمًا سميكة على حواف غشائه وأطراف جناحيه وذيله، مما يُساعد على تقليل التذبذبات وفقدان الطاقة غير الضروري. ^{[ 13 ]}

تستطيع فصيلة Pteromyini تعزيز قدرتها على الانزلاق بفضل العديد من السمات الجسدية التي تمتلكها.

تؤدي بنية العضلات المرنة وظائف متعددة. فعلى سبيل المثال، يعمل الغشاء الجناحي ، الذي يُعدّ المولد الرئيسي للرفع لدى السنجاب الطائر، بكفاءة عالية بفضل عضلاته الرقيقة والمرنة. ^{[ 14 ] [ 15 ]} ويستطيع هذا الغشاء التحكم في توتر الغشاء من خلال الانقباض والتمدد. ويساهم التحكم في التوتر في توفير الطاقة نتيجةً لتقليل رفرفة الغشاء. وعندما يهبط السنجاب، ينقبض غشاؤه لضمان عدم ترهله أثناء المشي. ^{[ 15 ]}

يُساهم كلٌّ من الغشاء الأمامي للغشاء الخلفي والغشاء الخلفي للغشاء الخلفي في توفير قوة رفع إضافية لسنجاب الطائر (Pteromyini). ^{[ 15 ]} يقع الغشاء الأمامي للغشاء الخلفي بين رأس السنجاب الطائر وأطرافه الأمامية، بينما يقع الغشاء الخلفي للغشاء الخلفي عند ذيله وأطرافه الخلفية، مما يُعطي السنجاب الطائر مزيدًا من الرشاقة ومقاومة الهواء عند الهبوط. ^{[ 15 ]}

بالإضافة إلى ذلك، يمتلك السنجاب الطائر تراكيب عضلية سميكة تشبه الحبال على حواف غشائه للحفاظ على شكله. [ ^{15 ] تُسمى هذه} التراكيب العضلية بالعضلة الجلدية للعنق، والعضلة الظنبوبية ^{الرسغية} ، والعضلة نصف الوترية ، وتقع على ^{الغشاء الأمامي للغشاء ...}

تقع أطراف الأجنحة عند معصمي الأطراف الأمامية، وتُشكّل سطحًا انسيابيًا يُقلّل من تأثير السحب المُستحثّ الناتج عن تكوّن دوامات أطراف الأجنحة . ^{[ 14 ]} تُخفّف أطراف الأجنحة من تأثير هذه الدوامات، وتمنع السحب المُستحثّ من التأثير على الجناح بأكمله. تستطيع السناجب الطائرة فردّ أطراف أجنحتها وطيّها أثناء الانزلاق باستخدام إبهامها، مما يمنع ترهّلها غير المرغوب فيه. ^{[ 14 ]}

يُتيح ذيل السنجاب الطائر تحسين قدراته على الانزلاق، إذ يلعب دورًا بالغ الأهمية. فعلى عكس الفقاريات الأخرى، يمتلك السنجاب الطائر ذيلًا مُسطّحًا لزيادة مساحة سطحه الديناميكية الهوائية أثناء الانزلاق. ^{[ 16 ] [ 17 ]} كما يُتيح هذا للسنجاب الطائر الحفاظ على ثبات زاوية ميل ذيله. ويُعدّ هذا مفيدًا بشكل خاص أثناء الهبوط، حيث يستطيع السنجاب الطائر توسيع زاوية ميل ذيله وزيادة مقاومة الهواء، ما يُساعده على التباطؤ والهبوط بأمان. ^{[ 15 ]}

علاوة على ذلك، تُستخدم أرجل وذيل طيور البتروميني للتحكم في اتجاه انزلاقها. وبفضل مرونة الأغشية المحيطة بالأرجل، يُمكن التحكم في زاوية الوتر والزاوية الثنائية بين الغشاء والمستوى الإكليلي للجسم. ^{[ 13 ]} وهذا يسمح للحيوان بالقيام بحركات دورانية، وميلان، وانعطاف، والتي بدورها تتحكم في سرعة واتجاه الانزلاق. ^{[ 18 ] [ 19 ]} أثناء الهبوط، يستطيع الحيوان تقليل سرعته بسرعة عن طريق زيادة مقاومة الهواء وتغيير زاوية الميلان باستخدام أغشيته، وزيادة مقاومة الهواء بشكل أكبر عن طريق تخفيف التوتر بين أغشية أرجله. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

ديزمودوس روتوندوس (الخفاش مصاص الدماء)

من المعروف أن الخفافيش مصاصة الدماء الشائعة تمتلك أنماطًا قوية من الحركة الأرضية، كالقفز، والحركة الجوية كالانزلاق. وقد أظهرت العديد من الدراسات أن بنية الخفاش تمكنه من التبديل بسهولة وفعالية بين نمطي الحركة هذين. ^{[ 20 ]} ويعتمد هذا التشريح بشكل أساسي على أكبر عضلة في جسم الخفاش، وهي العضلة الصدرية العميقة (الفرع الخلفي). ^{[ 20 ]} وتشترك الخفافيش في ثلاثة عظام بين نمطي الحركة. هذه العظام الثلاثة الرئيسية هي أجزاء لا تتجزأ من بنية الذراع، وهي عظم العضد، وعظم الزند، وعظم الكعبرة. وبما أن هناك بالفعل مكونات مشتركة لكلا النمطين، فلا حاجة إلى عضلات إضافية عند الانتقال من القفز إلى الانزلاق. ^{[ 20 ]}

تُظهر دراسة مفصلة لشكل كتف الخفاش أن عظام الذراع أكثر صلابة قليلاً وأن عظم الزند وعظم الكعبرة قد اندمجا لاستيعاب قوى رد الفعل الثقيلة من الأرض ^{[ 20 ].}

الجراد الصحراوي (Schistocerca gregaria)

يُعرف الجراد الصحراوي بقدرته على القفز والطيران لمسافات طويلة، فضلاً عن الزحف على الأرض. ^{[ 21 ]} تُقدم دراسة تفصيلية لتشريح هذا الكائن بعض المعلومات حول آليات الحركة. فالأرجل الخلفية للجراد مُصممة للقفز، إذ تحتوي على نتوء هلالي الشكل يتكون من عضلة باسطة كبيرة للظنبوب، وعضلة قابضة صغيرة للظنبوب، وطبقة خارجية سميكة على شكل موزة. ^{[ 22 ] [ 23 ]} عند انقباض عضلة الظنبوب، تزداد الميزة الميكانيكية للعضلات ومكون الدفع العمودي لتمديد الأرجل. ^{[ 24 ]} يستخدم الجراد الصحراوي آلية المقلاع، حيث تُخزن الطاقة أولاً في الأرجل الخلفية ثم تُطلق لتمديدها. ^{[ 25 ]}

لكي يقفز الجراد قفزة مثالية، عليه أن يدفع أرجله على الأرض بقوة كافية لبدء انطلاقة سريعة. يجب أن تكون هذه القوة كافية لتحقيق انطلاقة سريعة وارتفاع قفزة مناسب. كما يجب توليد هذه القوة بسرعة. وللانتقال بفعالية من وضع القفز إلى وضع الطيران، يجب على الحشرة ضبط توقيت فتح جناحيها لزيادة مسافة وارتفاع القفزة إلى أقصى حد. وعندما تصل إلى ذروة قفزتها، يبدأ وضع الطيران. ^{[ 22 ]}

نمذجة روبوت متعدد الأنماط للمشي والانزلاق على غرار السناجب الطائرة (Pteromyini)

بعد اكتشاف النموذج المطلوب محاكاته، سعى الباحثون إلى تصميم روبوت ذي أرجل قادر على تحقيق حركة فعالة في البيئات الجوية والبرية باستخدام غشاء مرن. ولتحقيق هذا الهدف، كان لا بد من مراعاة اعتبارات التصميم التالية:

1. كان لا بد من اختيار شكل الغشاء ومساحته بعناية لتحقيق القدرات الديناميكية الهوائية المطلوبة. إضافةً إلى ذلك، يؤثر تصميم الغشاء على تصميم الأرجل نظرًا لارتباط الغشاء بها. ^{[ 13 ]}

٢. كان لا بد من أن يكون الغشاء مرنًا بما يكفي للسماح بحركة غير مقيدة للساقين أثناء الانزلاق والمشي. ومع ذلك، كان لا بد من التحكم في مقدار المرونة نظرًا لأن المرونة المفرطة قد تؤدي إلى فقدان كبير للطاقة بسبب التذبذبات في مناطق الغشاء التي يحدث فيها ضغط قوي. ^{[ ١٣ ]}

3. كان لا بد من تصميم ساق الروبوت بحيث تسمح بعزوم الدوران المناسبة للمشي وكذلك الانزلاق. ^{[ 13 ]}

لدمج هذه العوامل، كان لا بد من إيلاء اهتمام دقيق لخصائص السنجاب الطائر. تم نمذجة الخصائص الديناميكية الهوائية للروبوت باستخدام النمذجة والمحاكاة الديناميكية. من خلال محاكاة حزم العضلات السميكة في غشاء السنجاب الطائر، تمكن المصممون من تقليل التقلبات والاهتزازات على حواف غشاء الروبوت، مما قلل من فقد الطاقة غير الضروري. ^{[ 13 ]} علاوة على ذلك، تم تقليل مقدار السحب على جناح الروبوت باستخدام أطراف أجنحة قابلة للسحب، مما سمح بتحسين قدرات الانزلاق. ^{[ 14 ]} بالإضافة إلى ذلك، صُممت ساق الروبوت لتضمين عزم دوران كافٍ بعد محاكاة تشريح ساق السنجاب الطائر باستخدام تحليل العمل الافتراضي. ^{[ 13 ]}

بعد تصميم ساق الروبوت وغشائه، حُدِّد متوسط ​​نسبة انزلاقه (GR) بـ 1.88. وقد أظهر الروبوت أداءً فعالاً، حيث سار في أنماط مشي متعددة وزحف باستخدام ساقيه ذواتي درجات الحرية العالية. ^{[ 13 ]} كما تمكن الروبوت من الهبوط بأمان. تُبرهن هذه الأداءات على قدرات الروبوت في الانزلاق والمشي، وعلى حركته متعددة الأنماط.

تصميم نموذج لروبوت متعدد الأنماط للقفز والانزلاق مستوحى من خفاش مصاص الدماء Desmodus Rotundus

يتضمن تصميم الروبوت المسمى "مالتي-مو بات" أربع مراحل تشغيل رئيسية: مرحلة تخزين الطاقة، ومرحلة القفز، ومرحلة الانزلاق، ومرحلة التحليق. ^{[ 20 ]} تتضمن مرحلة تخزين الطاقة بشكل أساسي حجز الطاقة اللازمة للقفز. تُخزن هذه الطاقة في نوابض الطاقة الرئيسية. تُولد هذه العملية عزم دوران حول مفصل الكتفين، مما يُهيئ الأرجل للقفز. بمجرد إطلاق الطاقة المخزنة، تبدأ مرحلة القفز. عند بدء مرحلة القفز، ينتقل الروبوت من الأرض إلى مرحلة الانزلاق التي تستمر حتى يصل إلى أعلى نقطة في الارتفاع، ثم يبدأ بالهبوط. أثناء هبوط الروبوت، تُساعد مقاومة الهواء على تقليل سرعة هبوطه، حيث يُعاد تشكيل الجناح نتيجةً لزيادة مقاومة الهواء على الجزء السفلي من الأجنحة. ^{[ 20 ]} في هذه المرحلة، ينزلق الروبوت إلى أسفل.

يلعب التركيب التشريحي لذراع الخفاش مصاص الدماء دورًا محوريًا في تصميم ساق الروبوت. ولتقليل عدد درجات الحرية، يتم عكس مكوني الذراع على المستوى xz. ^{[ 20 ]} ينتج عن ذلك تصميم رباعي القضبان لهيكل ساق الروبوت، مما يؤدي إلى درجتي حرية مستقلتين فقط. ^{[ 20 ]}

نمذجة روبوت متعدد الأنماط للقفز والطيران على غرار الجراد الصحراوي (Schistocerca gregaria)

تم تصميم الروبوت باستخدام محرك تيار مستمر واحد يجمع بين وظيفتي القفز والرفرفة. ^{[ 23 ]} وقد صُمم الروبوت ليتضمن آلية انزلاق معكوسة لتكوين الأرجل، ونظام قابض ذي أسنان للرفع، وآلية تروس مسننة لنظام رفرفة الأجنحة. ^{[ 20 ]} يتميز هذا التصميم بآلية فعالة للغاية لتخزين الطاقة وإطلاقها، بالإضافة إلى آلية متكاملة لرفرفة الأجنحة. ^{[ 20 ]}

تم تطوير روبوت بخصائص مشابهة للجراد. تمثلت السمة الرئيسية لتصميم الروبوت في نظام تروس يعمل بمحرك واحد، مما مكّنه من أداء حركات القفز والرفرفة. وكما هو الحال في حركة الجراد، تبدأ حركة الروبوت بثني الأرجل إلى وضعية تخزين الطاقة القصوى، ثم تُطلق الطاقة فورًا لتوليد القوة اللازمة للطيران. ^{[ 20 ]}

خضع الروبوت لاختبارات الأداء، وأظهرت النتائج قدرته على القفز إلى ارتفاع 0.9 متر تقريبًا بوزن 23 غرامًا مع رفرفة جناحيه بتردد 19  هرتز تقريبًا. ^{[ 20 ]} أما الروبوت الذي تم اختباره بدون رفرفة جناحيه، فقد كان أداؤه أقل إثارة للإعجاب، حيث انخفض أداؤه في القفز بنسبة 30% تقريبًا مقارنةً بالروبوت المزود بالأجنحة. ^{[ 20 ]} تُعد هذه النتائج مُبهرة، إذ كان من المتوقع أن يكون العكس صحيحًا نظرًا لتأثير وزن الأجنحة على القفز.

• تحسين المنتج
• تخطيط الحركة
• يمكن إجراء عملية التقاط الحركة على البشر والحشرات والكائنات الحية الأخرى.
• التعلم الآلي ، وخاصةً مع التعلم المعزز .

• رودني بروكس
• مارك رايبرت
• جيسيكا هودجينز
• ريد ويتاكر
• شوجي كاجيتا، الذي قدم التحكم المسبق ^{[ 26 ]} لتحقيق الطبيعة الاستباقية للمشي في الروبوتات الشبيهة بالبشر في مشروع الروبوتات الشبيهة بالبشر .

• السباح الصغير

• حركة الروبوت