حشرات رباتیک ممکن است روزی در گرده افشانی مکانیکی کمک کنند

با روشی کارآمدتر برای گرده افشانی مصنوعی، کشاورزان در آینده می توانند میوه ها و سبزیجات را در انبارهای چند سطحی پرورش دهند و ضمن کاهش برخی از اثرات مضر کشاورزی بر محیط زیست، عملکرد را افزایش دهند.

برای کمک به تحقق این ایده، محققان MIT در حال توسعه حشرات رباتیکی هستند که ممکن است روزی از کندوهای مکانیکی بیرون آمده و گرده افشانی دقیق را به سرعت انجام دهند. با این حال، حتی بهترین ربات‌های به اندازه حشرات نیز در زمینه استقامت، سرعت و مانورپذیری با گرده افشان‌های طبیعی مانند زنبورها برابری نمی‌کنند.

اکنون، با الهام از آناتومی این گرده افشان های طبیعی، محققان طراحی خود را تغییر داده اند تا ربات های هوایی کوچک تولید کنند که بسیار چابک تر و بادوام تر از نسخه های قبلی هستند. تحقیقات آنها در مجله Science Robotics منتشر شده است.

ربات‌های جدید می‌توانند حدود 1000 ثانیه معلق بمانند که بیش از 100 برابر بیشتر از مقداری است که قبلاً نشان داده شده است. این حشره رباتیک که وزن آن کمتر از یک گیره کاغذ است، می تواند به طور قابل توجهی سریعتر از ربات های مشابه پرواز کند و در عین حال حرکات آکروباتیک مانند چرخش های هوایی دوبل را انجام دهد.

ربات بازسازی شده به گونه ای طراحی شده است که دقت و چابکی پرواز را افزایش داده و در عین حال استرس مکانیکی را بر روی اتصالات بال مصنوعی خود به حداقل برساند، که مانورهای سریعتر، استقامت بیشتر و عمر طولانی تری را امکان پذیر می کند.

طراحی جدید همچنین فضای خالی کافی دارد که ربات می تواند باتری ها یا حسگرهای کوچکی را حمل کند، که می تواند آن را قادر سازد به تنهایی در خارج از آزمایشگاه پرواز کند.

کوین چن می گوید: «مقدار پروازی که در این مقاله نشان دادیم، احتمالاً بیشتر از کل مقدار پروازی است که حوزه ما با این حشرات رباتیک توانسته است جمع آوری کند. با بهبود طول عمر و دقت این ربات، به برخی از کاربردهای بسیار هیجان انگیز مانند گرده افشانی کمکی نزدیک می شویم.»

چن، استادیار گروه مهندسی برق و علوم کامپیوتر (EECS)، رئیس آزمایشگاه رباتیک نرم و میکرو در آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک (RLE)، و نویسنده ارشد مقاله دسترسی آزاد در مورد طراحی جدید، در این مقاله توسط نویسندگان همکار، سوهان کیم و یی هسوان هسیائو، دانشجویان فارغ التحصیل EECS نیز همکاری کرده است؛ و همچنین ژیجیان رن، دانشجوی فارغ التحصیل EECS و جیاشو هوانگ، دانشجوی مهمان تابستانی.

افزایش عملکرد

نسخه های قبلی حشره رباتیک از چهار واحد یکسان تشکیل شده بودند که هر کدام دارای دو بال بودند و در یک دستگاه مستطیلی به اندازه یک میکروکاست ترکیب شده بودند.

چن می گوید: «اما هیچ حشره ای با هشت بال وجود ندارد. در طراحی قدیمی ما، عملکرد هر واحد منفرد همیشه بهتر از ربات مونتاژ شده بود.»

این افت عملکرد تا حدی ناشی از نحوه قرارگیری بال ها بود که هنگام بال زدن هوا را به یکدیگر می دمیدند و نیروهای بالابری که می توانستند ایجاد کنند را کاهش می دادند.

طراحی جدید ربات را به نصف می رساند. هر یک از چهار واحد یکسان اکنون یک بال متحرک دارد که از مرکز ربات دور می شود و بال ها را تثبیت کرده و نیروهای بالابری آنها را افزایش می دهد. با نصف تعداد بال، این طراحی همچنین فضایی را آزاد می کند تا ربات بتواند وسایل الکترونیکی را حمل کند.

علاوه بر این، محققان انتقال های پیچیده تری را ایجاد کردند که بال ها را به محرک ها یا ماهیچه های مصنوعی متصل می کنند که آنها را به حرکت در می آورند. این انتقال های بادوام، که نیاز به طراحی لولاهای بال بلندتری داشت، فشار مکانیکی را که استقامت نسخه های قبلی را محدود می کرد، کاهش می دهد.

چن می گوید: «در مقایسه با ربات قدیمی، اکنون می توانیم گشتاور کنترلی سه برابر بیشتر از قبل تولید کنیم، به همین دلیل است که می توانیم پروازهای بسیار پیچیده و بسیار دقیقی برای یافتن مسیر انجام دهیم.»

با این حال، حتی با این نوآوری‌های طراحی، هنوز شکافی بین بهترین حشرات رباتیک و نمونه واقعی وجود دارد. به عنوان مثال، یک زنبور عسل تنها دو بال دارد، اما می تواند حرکات سریع و بسیار کنترل شده ای را انجام دهد.

او می گوید: «بال های زنبورها توسط مجموعه بسیار پیچیده ای از ماهیچه ها به طور دقیق کنترل می شوند. این سطح از تنظیم دقیق چیزی است که واقعاً ما را مجذوب می کند، اما هنوز نتوانسته ایم آن را تکرار کنیم.»

فشار کمتر، نیروی بیشتر

حرکت بال های ربات توسط ماهیچه های مصنوعی هدایت می شود. این محرک های کوچک و نرم از لایه های الاستومر ساخته شده اند که بین دو الکترود نانولوله کربنی بسیار نازک قرار گرفته و سپس به صورت استوانه ای نرم رول می شوند. محرک ها به سرعت فشرده و کشیده می شوند و نیروی مکانیکی تولید می کنند که بال ها را به حرکت در می آورد.

در طرح‌های قبلی، هنگامی که حرکات محرک به فرکانس‌های بسیار بالایی که برای پرواز مورد نیاز است می‌رسید، دستگاه‌ها اغلب شروع به کمانش می‌کردند. این امر قدرت و راندمان ربات را کاهش می دهد. انتقال های جدید این حرکت خمشی-کمانشی را مهار می کند، که فشار روی ماهیچه های مصنوعی را کاهش می دهد و آنها را قادر می سازد نیروی بیشتری برای به حرکت درآوردن بال ها اعمال کنند.

طرح جدید دیگر شامل یک لولای بال بلند است که تنش پیچشی را که در طول حرکت بال زدن تجربه می شود کاهش می دهد. ساخت لولا که حدود 2 سانتی متر طول دارد اما فقط 200 میکرون قطر دارد، از بزرگترین چالش های آنها بود.

چن می گوید: «اگر حتی یک مشکل جزئی در هم ترازی در طول فرآیند ساخت داشته باشید، لولای بال به جای مستطیلی، کج می شود که بر سینماتیک بال تأثیر می گذارد.»

پس از تلاش های فراوان، محققان یک فرآیند برش لیزری چند مرحله ای را تکمیل کردند که آنها را قادر ساخت تا هر لولای بال را به طور دقیق بسازند.

با قرار گرفتن هر چهار واحد در جای خود، حشره رباتیک جدید می تواند بیش از 1000 ثانیه، که معادل تقریباً 17 دقیقه است، بدون نشان دادن هیچ گونه کاهش در دقت پرواز، معلق بماند.

چن می گوید: «وقتی شاگرد من نمو در حال انجام آن پرواز بود، گفت که این کندترین 1000 ثانیه ای بود که در تمام زندگی اش سپری کرده است. این آزمایش بسیار طاقت فرسا بود.»

ربات جدید همچنین به میانگین سرعت 35 سانتی متر بر ثانیه دست یافت که سریعترین پروازی است که محققان گزارش کرده اند، در حالی که چرخش های بدنی و چرخش های دوبل را انجام می دهد. حتی می تواند یک مسیر را که حروف M-I-T را می نویسد، به طور دقیق دنبال کند.

او می‌گوید: «در پایان روز، ما پروازی را نشان داده‌ایم که 100 برابر طولانی‌تر از هر فرد دیگری در این زمینه بوده است، بنابراین این یک نتیجه بسیار هیجان‌انگیز است.»

از اینجا، چن و شاگردانش می خواهند ببینند که تا کجا می توانند این طراحی جدید را پیش ببرند، با هدف دستیابی به پرواز برای بیش از 10000 ثانیه.

آنها همچنین می خواهند دقت ربات ها را بهبود بخشند تا بتوانند از مرکز یک گل فرود آیند و بلند شوند. در دراز مدت، محققان امیدوارند باتری ها و حسگرهای کوچکی را بر روی ربات های هوایی نصب کنند تا بتوانند در خارج از آزمایشگاه پرواز کرده و مسیریابی کنند.

چن می گوید: «این پلتفرم ربات جدید یک نتیجه بزرگ از گروه ما است و منجر به جهات هیجان انگیز بسیاری می شود. برای مثال، گنجاندن حسگرها، باتری‌ها و قابلیت‌های محاسباتی روی این ربات، تمرکز اصلی در سه تا پنج سال آینده خواهد بود.»

این داستان با حسن نیت از MIT News (web.mit.edu/newsoffice/)، یک سایت محبوب که اخبار مربوط به تحقیقات، نوآوری و آموزش MIT را پوشش می‌دهد، بازنشر شده است.

بیشتر کاوش کنید