تم نشره على: 20 أبريل 2025 / تحديث من: 20 أبريل 2025 - المؤلف: Konrad Wolfenstein
محاكاة حيوية في microbotics مع Robobe and Co.: كيف تقود تقنيات الهبوط من الحشرات الروبوتات - الصورة الإبداعية:
محسوبة من الطبيعة: كيف تحول المحاكاة الحيوية حدود الروبوتات
مساعدون صغيرون: روبوتات الحشرات تغزو الزراعة والطب والمزيد
طورت الطبيعة حلولًا رائعة للتحديات المعقدة على مدى ملايين السنين. إن هذه الكفاءة والأناقة للأنظمة الطبيعية هي بالتحديد هي التي تلهم بشكل متزايد العلماء في تطوير تقنيات الروبوت المتقدمة. أدت علماء المحاكاة الحيوية المستوحاة من الحشرات إلى اختراقات رائعة ، وخاصة في مجال العربات الدقيقة. قبل كل شيء ، يوضح التقدم الأخير في تقنيات الهبوط للروايات الصغيرة ، المستوحاة من الحشرات مثل الوجبات الخفيفة والنحل بشكل مثير للإعجاب كيف يمكن أن تكون الطبيعة بمثابة مخطط للحلول الفنية المبتكرة.
أساسيات المحاكاة الحيوية في الروبوتات
يصف المحاكاة الحيوية ، والمعروفة أيضًا باسم Bionik ، النقل المنهجي للآليات والأساليب من الطبيعة إلى التكنولوجيا. أصبح هذا النهج متعدد التخصصات لوحظ في مجالات مثل علوم المواد والروبوتات والطاقة المتجددة والطب وتكنولوجيا المعلومات. بدلاً من نسخ الطبيعة إلى واحد ، يهتم العلماء بفهم المبادئ الأساسية وتكييفها مع التطبيقات الفنية.
يوضح هارتموت ويت ، رئيس قسم الكشف الحيوي في إيلمناو ، أن المهندسين مستوحى من الطبيعة دائمًا. تعمل Bionics كوسيلة ليس فقط لتعزيز هذه الارتباط وتنظيمه ، ولكن أيضًا لتوسيع أساس تطورات المنتجات الفنية. لقد أنتجت Evolution كائنات حية تكيفت تمامًا مع بيئتها ، وهي بالضبط هذه التعديلات التي توفر نماذج قدوة قيمة للابتكارات في التكنولوجيا.
عند نقل المبادئ البيولوجية إلى التكنولوجيا ، يصبح من الواضح أن bionics الحقيقية لا يمكن التعرف عليها من خلال الخصائص الخارجية ، كما يوضح Witte. لا يتعلق الأمر بتقليد الشكل الخارجي ، ولكن حول تكييف المبادئ الوظيفية التي تم تطويرها إلى الكمال في الطبيعة.
مناسب ل:
روبوتات ميكرور مستوحاة من الحشرات: المعجزات الفنية في شكل مصغر
نظرًا لحجمها وكفاءتها ومهاراتها المذهلة ، تتوفر الحشرات كنماذج مثالية لتطوير الروبوتات الصغيرة. لقد ألهمت خصائصها المتقدمة للغاية وآليات الحركة ومهارات التكيف الباحثين في جميع أنحاء العالم لإعادة إنتاج هذه النظم البيولوجية تقنيًا.
روبوبي: روبوت هارفارد الطائر الدقيق
واحدة من أفضل الأمثلة المعروفة للروبوتات المستوحاة من الحشرات هي Robobee في جامعة هارفارد. يزن هذا الروبوت الصغير الطائر غرامًا عاشرًا ويحتوي على جناحيها 3 سنتيمترات فقط. يتكون Robobee من ثلاثة مكونات رئيسية: الجسم المصنوع من ألياف الكربون ، والأجنحة الرفيعة و "الدماغ" ، والتي تتكون من عدد من أجهزة الاستشعار الذكية.
يتم تشغيل الأجنحة بواسطة مشغلات كهروضوئية - نوع من العضلات الاصطناعية التي تحول الطاقة الكهربائية إلى الحركة. تتيح هذه التكنولوجيا الروبوت الصغير من الطيران والطفو وتنفيذ مناورات معقدة ، مثل النحل الحقيقي.
المزيد من الأمثلة على الروبوتات الصغيرة المستوحاة من الحشرات
في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، قام المهندسون بتطوير روبوت طيران مستوحى من الحشرات. مع قطر أقل من 1 سم ووزن 21 ملغ فقط ، هو أصغر روبوت لاسلكي في العالم يمكنه الطيران بطريقة خاضعة للرقابة. على عكس robobee ، يستخدم هذا الروبوت الحقول المغناطيسية الخارجية كمحرك والتحكم.
قام الباحثون في Bionik في معهد جورجيا للتكنولوجيا بدوره بتطوير الأوتار الدقيقة التي تحاكي سلوك النمل. هذه الروبوتات الصغيرة بعرض 1.8 ملليمتر فقط ، وسمك 0.8 ملليمتر وتزن حوالي 5 ملليغرام. رؤية الباحثين: أسراب من هذه الحشرات الإلكترونية يمكن أن تتولى التلقيح للنباتات في الزراعة.
تحدي الهبوط الآمن
واحدة من أكبر التحديات التي تواجه الروبوتات الصغيرة هي الهبوط الآمن. نظرًا لصغر حجمها ووزنها الخفيف ، فهي عرضة بشكل خاص لطفر الهواء وعدم الاستقرار ، وخاصة بالقرب من الأرض.
مشكلة الهبوط في Robobebee
يوضح كريستيان تشان ، طالب الدكتوراه في فريق الأبحاث بجامعة هارفارد: "حتى الآن قمنا بإيقاف تشغيل السيارة على الأرض في الهبوط ، فقط أسقطناها وصلينا حتى ينتهي الأمر وأهبط بأمان". كان هذا الهبوط غير المنضبط يمثل خطرًا كبيرًا على المشغلات الكهروإجهادية الحساسة والأجنحة الفلغرية للروبوت ، والتي يمكن أن تتضرر بسهولة بسبب التأثير.
تم تفاقم المشكلة بسبب تأثير التربة المتدرب على ذلك -النزوح الهوائي الذي يحدثه الأجنحة الضبرية ويؤدي إلى عدم الاستقرار عند الهبوط. هذه التحديات الديناميكية الهوائية تجعل من الصعب بشكل خاص على روبوتات الطيران الصغيرة أن تنتهي بطريقة تسيطر عليها.
حل الأرض مستوحى من شناكين
لحل هذه المشكلة ، نظر العلماء من جامعة هارفارد إلى ذبابة الرافعة (Schnake) ، وهي حشرة ذات أبعاد مماثلة مثل Robobe. طيران الرافعة قادرة على تنفيذ عمليات هبوط أنيقة على ركائز مختلفة ، وذلك بفضل أرجلها الطويلة المرنة التي يمكن أن تتساقط.
مستوحى من هذا النموذج الطبيعي ، طور الفريق مجموعة هبوط جديدة لـ Robobee: أربعة أرجل طويلة مرنة ، على غرار تلك الموجودة في ذبابة الرافعة. هذه الأرجل طويلة ومرنة بما يكفي لضمان أن الأرض في مأمن من الأرض قبل أن يتأثر الجسم الرئيسي من الروبوت باضطراب الهواء الإشكالي.
بالإضافة إلى التحسينات الميكانيكية ، قام العلماء أيضًا بتكييف التحكم في رحلة الروبوت ، وتوجهوا أنفسهم بالسلوك الهبوط للطيران. هذه تسارع من رحلة عائمة ، ثم الفرامل نحو هدف الهبوط وإعدادها بسرعة منخفضة. ثم يتم تسجيل طاقة التأثير الحالية بواسطة منطقة الهبوط الميكانيكية.
تقنيات الهبوط البديلة للتربية الدقيقة
تم تطوير تقنية هبوط أخرى مستوحاة من الحشرات من قبل باحثين في جامعة هارفارد للإصدارات السابقة من Robobee. في حين أن الحشرات الحقيقية غالباً ما تستخدم نوعًا من المواد اللاصقة للالتزام بالأسطح الرأسية ، فقد اعتمد الباحثون على الجاذبية الإلكتروستاتيكية من أجل ربط الروبوت بالوسادة. يتطلب هذا النهج فقط كمية صغيرة من الطاقة لإصلاح روبوت الضوء.
ويأتي تطور آخر رائع من جامعة نانجينغ لعلماء الطيران والفضاء (NUAA) ، حيث طور الباحثون روبوتًا للحشرات يجمع بين مهارات الطيران والتسلق. يمكن لهذا الروبوت الهبوط على جدار عمودي ، ويتسلق على طوله ويقلع مرة أخرى - وهي مهارة تمكن من إظهارها على مواد مختلفة مثل الزجاج والخشب والرخام وحتى لحاء الأشجار.
النهج المحاكاة الحيوية تتجاوز تقنية الهبوط
تلهم الطبيعة الروبوتات ليس فقط في تطوير تقنيات الهبوط ، ولكن في جوانب عديدة من microbotics. من آليات الحركة إلى أنظمة الاحتجاز لدفع المفاهيم - تقدم الطبيعة خزانًا غنيًا من الحلول.
أنظمة الحركة المتقدمة
قام فريق أبحاث جامعة هارفارد بتطوير روبوت صغير للحشرات يسمى "Little Fury" مع "الديك" الاصطناعي مستوحى من القفز على الديوك. يمكن أن يقفز هذا الروبوت المثير للإعجاب 1.4 متر ، وهو ما يتوافق مع 23 ضعف طول جسمه. تعتمد آلية القفز على "furcula" من الديوك القفز التي تعمل مثل ربيع متوترة.
في TU Ilmenau ، قام الباحثون في قسم الكواحف الحيوية ببناء كاتربيلر روبوت صغير ، وهو مجهز بما يسمى "Gecko-tape". كانت هذه المادة مستوحاة من آليات اللاصقة من geckos والعناكب والخنافس ، والتي يمكن أن تعمل على الأسطح الرأسية وحتى على السقف بدون سوائل لاصقة.
التنقل المستقل وسلوك السرب
مجال آخر مهم من الروبوتات المحاكاة الحيوية هو التنقل المستقل. طور العلماء من جامعة لوند السويدية مفهومًا لنظام توجيه الطائرات بدون طيار جديد يعتمد على السلوك البديل للحشرات. أظهرت الملاحظات أن النحل يعتمد على شدة الضوء في التنقل لتجنب العقبات.
قام الباحثون في المجر مرة أخرى بنقل سلوك سرب الحشرات إلى الطائرات بدون طيار. بمساعدة خوارزمية تم تطويرها حديثًا ، يمكن أن تطير ما يصل إلى تسع طائرات فردية في التكوين ، وبالتالي التنقل في بيئات مربكة مثل المدن.
مناسب ل:
- السيطرة على الوقوف البشري: تعلم كيفية الاستيقاظ من البشر "المضيف"-اختراق الروبوتات في الحياة اليومية
إمكانات التطبيق والآفاق المستقبلية
تعد الأوتار الصغيرة المستوحاة من الحشرات بمجموعة متنوعة من التطبيقات في مجالات مختلفة.
الزراعة والمراقبة البيئية
أحد أكثر التطبيقات المحتملة الرائعة هو التلقيح الاصطناعي. في ضوء الانخفاض العالمي لسكان النحل ، يمكن أن تساعد أسراب روبوبيز يومًا ما في تلقيح النباتات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام هذه الروبوتات الصغيرة في المراقبة البيئية لجمع البيانات عن الظروف البيئية التي لا يمكن الوصول إليها للطائرات بدون طيار أكبر.
الاستكشاف والإغاثة من الكوارث
بفضل حجمها الصغير ، يمكن استخدام روبوتات ميكرور مستوحاة من الحشرات عند استكشاف الغرف الضيقة أو المباني المنهارة أو البيئات المعقدة الأخرى. في مناطق الكوارث ، يمكنك تقديم معلومات قيمة دون تعرض الناس للخطر.
التطبيقات الطبية
على المدى الطويل ، يمكن استخدام الروبوتات المصغرة في المجال الطبي. يمكن أن تنفذ أسراب الروبوتات الصغيرة أو حتى إجراء علاجات في جسم الإنسان.
الحدود الحالية والتطورات المستقبلية
على الرغم من التقدم المثير للإعجاب ، لا تزال روبوتات الميكرور المستوحاة من الحشرات تواجه تحديات كبيرة. على سبيل المثال ، لا يزال Robobee متصلاً بأنظمة التحكم الخارجية بواسطة Cable ، مما يحد من قدرته على التنقل. يعمل الباحثون على أجهزة الاستشعار المصغرة والتحكم وتوريد الطاقة من أجل أن يكونوا قادرين على تثبيتها مباشرة في روبوت الطيران.
تعتبر تصغير هذه المكونات "الكأس المقدسة الثلاثية" من microbotics وتمثل تحديات فنية هائلة. ومع ذلك ، فإن رؤية الباحثين واضحة: أسراب مستقلة تمامًا من الروبوتات الصغيرة التي يمكن أن تؤدي مهام معقدة في بيئات مختلفة.
الطبيعة كمهندس: التقدم في microbotics
أحدثت المحاكاة الحيوية ثورة في تطوير microbotics من قبل تمكين المهندسين من الاستفادة من ملايين السنين من التحسين التطوري. يوضح التقدم الأخير في تقنيات الهبوط المستوحاة من الحشرات للروتل الدقيقة مثل روبوب بشكل مثير للإعجاب إمكانات هذا النهج.
نظرًا لتقليد الأنظمة الطبيعية ، لا يطور الباحثون روبوتات أكثر كفاءة وأكثر قوة فحسب ، بل يكتسبون أيضًا رؤى قيمة في الآليات البيولوجية نفسها. مثل أليسا هيرنانديز ، ما بعد الدكتوراه والمؤلف المشارك لدراسة روبوبي ، يوضح: "يمكننا استخدام منصات الروبوت هذه للبحث والدراسات البيولوجية ، واختبار الفرضيات الميكانيكية الحيوية".
يعد مستقبل الروبوتات المحاكاة الحيوية بمزيد من التطورات الرائعة ، بينما يواصل الباحثون الاستفادة من مصدر الإلهام الذي لا ينضب من أجل إتقان التحديات التقنية في عصرنا. إن الطريق من ملاحظة الظواهر الطبيعية إلى تنفيذها التقني ليس بالأمر السهل دائمًا ، ولكن كما تظهر قصة نجاح Robobee ، يمكن أن يؤدي إلى ابتكارات رائدة لديها القدرة على إحداث ثورة في العديد من مجالات حياتنا.
مناسب ل:
شريكك العالمي في التسويق وتطوير الأعمال
☑️ لغة العمل لدينا هي الإنجليزية أو الألمانية
☑️ جديد: المراسلات بلغتك الوطنية!
كونراد ولفنشتاين
سأكون سعيدًا بخدمتك وفريقي كمستشار شخصي.
يمكنك الاتصال بي عن طريق ملء نموذج الاتصال أو ببساطة اتصل بي على +49 89 89 674 804 (ميونخ) . عنوان بريدي الإلكتروني هو: ولفنشتاين ∂ xpert.digital
إنني أتطلع إلى مشروعنا المشترك.
