פורסם בתאריך: 20 באפריל, 2025 / עודכן בתאריך: 20 באפריל, 2025 – מחבר: Konrad Wolfenstein
ביומימטיקה במיקרו-רובוטיקה עם RoboBee ואחרים: כיצד טכניקות נחיתה של חרקים מניעות רובוטיקה – תמונה יצירתית: Xpert.Digital
בהשראת הטבע: כיצד ביומימטיקה דוחפת את גבולות הרובוטיקה
עוזרים זעירים: רובוטי חרקים כובשים את החקלאות, הרפואה ועוד
הטבע פיתח פתרונות יוצאי דופן לאתגרים מורכבים במשך מיליוני שנים. דווקא יעילות ואלגנטיות זו של מערכות טבעיות הן שמעוררות השראה גוברת במדענים בפיתוח טכנולוגיות רובוטיקה מתקדמות. במיוחד בתחום המיקרו-רובוטיקה, ביומימטיקה בהשראת חרקים הובילה לפריצות דרך מרשימות. מעל לכל, ההתקדמות האחרונה בטכניקות נחיתה עבור מיקרו-רובוטים, בהשראת חרקים כמו זבובי עגור ודבורים, מדגימה באופן מרשים כיצד הטבע יכול לשמש כתוכנית אב לפתרונות טכניים חדשניים.
יסודות הביומימטיקה ברובוטיקה
ביומימטיקה, הידועה גם בשם ביוניקה, מתארת את ההעברה השיטתית של מנגנונים ותהליכים מהטבע לטכנולוגיה. גישה בין-תחומית זו זוכה לתשומת לב גוברת בתחומים כמו מדעי החומרים, רובוטיקה, אנרגיה מתחדשת, רפואה וטכנולוגיית מידע. במקום פשוט להעתיק את הטבע אחד על אחד, מדענים שואפים להבין את העקרונות הבסיסיים ולהתאים אותם ליישומים טכניים.
מהנדסים תמיד שאבו השראה מהטבע, מסביר הרטמוט ויטה, ראש המחלקה לביומכטרוניקה באוניברסיטת טנסי אילמנאו. ביוניקה משמשת כשיטה לא רק לקידום וסיסטמטיזציה של יכולת אסוציאציה זו, אלא גם להרחבת היסודות לפיתוח מוצרים טכניים. האבולוציה יצרה אורגניזמים המותאמים בצורה מושלמת לסביבתם, והתאמות אלו מספקות מודלים בעלי ערך לחידושים טכנולוגיים.
כאשר עקרונות ביולוגיים מיושמים על טכנולוגיה, מתברר שביוניקה אמיתית אינה ניתנת לזיהוי על ידי מאפיינים חיצוניים, מסביר ויטה. לא מדובר רק בחיקוי הצורה החיצונית, אלא בהתאמת העקרונות התפקודיים שהושלמו בטבע.
מתאים לכך:
מיקרו-רובוטים בהשראת חרקים: פלאים טכניים במיניאטורה
חרקים, בשל גודלם, יעילותם ויכולותיהם המדהימות, משמשים מודלים אידיאליים לפיתוח מיקרו-רובוטים. מאפייני התעופה המפותחים ביותר שלהם, מנגנוני התנועה ויכולת ההסתגלות שלהם עוררו השראה בחוקרים ברחבי העולם לשכפל טכנית את המערכות הביולוגיות הללו.
רובובי: המיקרו-רובוט המעופף של הרווארד
אחת הדוגמאות הידועות ביותר לרובוטיקה בהשראת חרקים היא הרובובי של אוניברסיטת הרווארד. רובוט מעופף זעיר זה שוקל רק עשירית גרם ומוטת כנפיו היא 3 סנטימטרים בלבד. הרובובי מורכב משלושה רכיבים עיקריים: גוף עשוי סיבי פחמן, כנפיים דקות כפפה ו"מוח" המורכב ממערך של חיישנים חכמים.
הכנפיים מופעלות על ידי מפעילים פיאזואלקטריים - סוג של שריר מלאכותי הממיר אנרגיה חשמלית לתנועה. טכנולוגיה זו מאפשרת למיקרו-רובוט לעוף, לרחף ולבצע תמרונים מורכבים כמו דבורה אמיתית.
דוגמאות נוספות למיקרו-רובוטים בהשראת חרקים
מהנדסים מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, פיתחו רובוט מעופף קטן עוד יותר בהשראת חרקים. עם קוטר של פחות מ-1 ס"מ ומשקל של 21 מ"ג בלבד, זהו הרובוט האלחוטי הקטן ביותר בעולם המסוגל לטיסה מבוקרת. בניגוד לרובובי, רובוט זה משתמש בשדות מגנטיים חיצוניים להנעה ובקרה.
חוקרי ביוניקה במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה פיתחו מיקרו-רובוטים המחקים את התנהגותן של נמלים. רובוטים זעירים אלה הם ברוחב של 1.8 מילימטרים בלבד, עובם 0.8 מילימטרים ומשקלם כ-5 מיליגרם. חזון החוקרים: נחילים של חרקים אלקטרוניים אלה יוכלו להשתלט על האבקת צמחים בחקלאות.
האתגר של נחיתה בטוחה
אחד האתגרים הגדולים ביותר עבור מיקרו-רובוטים מעופפים הוא נחיתה בטוחה. בשל גודלם הקטן ומשקלם הקל, הם רגישים במיוחד למערבולות אוויר וחוסר יציבות, במיוחד ליד הקרקע.
בעיית הנחיתה של הרובובי
"עד כה, בעת הנחיתה, היינו מכבים את הרכב מעל הקרקע, פשוט מפילים אותו ומתפללים שהוא ינחת זקוף ובבטחה", מסביר כריסטיאן צ'אן, דוקטורנט בצוות המחקר של הרווארד. נחיתה בלתי מבוקרת זו היוותה סיכון משמעותי למפעילים הפיזואלקטריים הרגישים של הרובוט ולכנפיים העדינות, אשר עלולות להינזק בקלות כתוצאה מפגיעה.
הבעיה החמירה עקב מה שמכונה "אפקט הקרקע" - מערבולת אוויר הנגרמת על ידי מתנפנפות הכנפיים, מה שמוביל לחוסר יציבות במהלך הנחיתה. אתגרים אווירודינמיים אלה מקשים במיוחד על רובוטים מעופפים זעירים לנחות בצורה מבוקרת.
פתרון נחיתה בהשראת יתושים
כדי לפתור בעיה זו, מדענים באוניברסיטת הרווארד בחנו את זבוב העגורן, חרק בעל ממדים דומים לרובובי. זבוב העגורן מסוגל לבצע נחיתות אלגנטיות על מגוון רחב של משטחים, הודות לרגליו הארוכות והגמישות שמרפדות את הפגיעה.
בהשראת מודל טבעי זה, פיתח הצוות מכשיר נחיתה חדש עבור הרובוט: ארבע רגליים ארוכות ומפרקיות, בדומה לאלו של זבוב העגורן. רגליים אלו ארוכות וגמישות מספיק כדי להבטיח שכל הרגליים יוצרות מגע בטוח עם הקרקע לפני שגוף הרובוט יושפע מערבולות אוויר בעייתיות.
בנוסף לשיפורים המכניים, המדענים גם התאימו את מערכת בקרת הטיסה של הרובוט, בהתבסס על התנהגות הנחיתה של זבובי עגורן. אלה מאיצים ממצב ריחוף, ואז מאטים לעבר יעד הנחיתה ונוחתים במהירות פגיעה נמוכה. אנרגיית הפגיעה הנותרת נספגת לאחר מכן על ידי כיוון הנחיתה המכני.
טכניקות נחיתה חלופיות עבור מיקרו-רובוטים
טכניקת נחיתה נוספת בהשראת חרקים פותחה על ידי חוקרים באוניברסיטת הרווארד עבור גרסאות קודמות של הרובוטבי. בעוד שחרקים אמיתיים משתמשים לעתים קרובות בסוג כלשהו של דבק כדי להיצמד למשטחים אנכיים, החוקרים הסתמכו על משיכה אלקטרוסטטית כדי לחבר את הרובוט למצע. גישה זו דורשת רק כמות קטנה של אנרגיה כדי לקבע את הרובוט הקל במקומו.
פיתוח יוצא דופן נוסף מגיע מאוניברסיטת נאנג'ינג לאווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה (NUAA), שם חוקרים יצרו רובוט חרקים המשלב יכולות טיסה וטיפוס. רובוט זה יכול לנחות על קיר אנכי, לטפס לאורכו ולהמריא שוב - יכולת שהדגים על חומרים שונים כמו זכוכית, עץ, שיש ואפילו קליפות עץ.
גישות ביומימטיות מעבר לטכנולוגיית נחיתה
הטבע מעורר השראה בקרב רובוטים לא רק בפיתוח טכניקות נחיתה, אלא גם בהיבטים רבים של מיקרו-רובוטיקה. ממנגנוני תנועה ומערכות הידבקות ועד לקונספטים של הנעה - הטבע מציע מאגר עשיר של פתרונות.
מערכות תנועה מתקדמות
צוות מחקר באוניברסיטת הרווארד פיתח רובוט מיקרו-חרק בשם "זעם קטן" עם "זנב" מלאכותי בהשראת זנבות קפיציים. רובוט זה יכול לקפוץ למרחק מרשים של 1.4 מטרים, פי 23 מאורך גופו. מנגנון הקפיצה מבוסס על ה"פורקולה" של הזנב הקפיצי, המתפקדת כקפיץ דחוס.
חוקרים במחלקה לביומכטרוניקה באוניברסיטת TU Ilmenau בנו זחל רובוטי קטן המצויד במה שנקרא "סרט שממיות". חומר זה קיבל השראה ממנגנוני ההדבקה של שממיות, עכבישים וחיפושיות, שיכולים ללכת על משטחים אנכיים ואפילו תקרות ללא נוזלי דבק.
ניווט אוטונומי והתנהגות נחיל
תחום חשוב נוסף של רובוטיקה ביומימטית הוא ניווט אוטונומי. מדענים מאוניברסיטת לונד בשוודיה פיתחו קונספט למערכת התמצאות חדשה של רחפנים המבוססת על התנהגות הימנעות של חרקים. תצפיות הראו שדבורים משתמשות בעוצמת אור כדי לנווט ולהימנע ממכשולים.
חוקרים בהונגריה העבירו את התנהגות הנחילות של חרקים לרחפנים. באמצעות אלגוריתם חדש שפותח, עד תשעה כלי טיס בודדים יכולים לטוס במבנה וכך לנווט אפילו בסביבות מורכבות כמו ערים.
מתאים לכך:
פוטנציאל יישום וסיכויים עתידיים
המיקרו-רובוטים בהשראת חרקים מבטיחים מגוון רחב של יישומים בתחומים שונים.
חקלאות וניטור סביבתי
אחד היישומים הפוטנציאליים המרתקים ביותר הוא האבקה מלאכותית. בהתחשב בירידה העולמית באוכלוסיות הדבורים, נחילים של רובוביז יוכלו יום אחד לסייע בהאבקת צמחים. יתר על כן, ניתן יהיה להשתמש במיקרו-רובוטים אלה בניטור סביבתי כדי לאסוף נתונים על תנאי סביבה שאינם נגישים לרחפנים גדולים יותר.
סיור וסיוע באסונות
הודות לגודלם הקטן, ניתן להשתמש במיקרו-רובוטים בהשראת חרקים כדי לחקור חללים סגורים, מבנים שקרסו או סביבות מורכבות אחרות. באזורי אסון, הם יוכלו לספק מידע בעל ערך מבלי לסכן אנשים.
יישומים רפואיים
בטווח הארוך, רובוטים מיניאטוריים יוכלו לשמש גם בתחום הרפואי. נחילים של רובוטים זעירים יוכלו לבצע אבחונים או אפילו טיפולים בתוך גוף האדם.
מגבלות נוכחיות והתפתחויות עתידיות
למרות ההתקדמות המרשימה, מיקרו-רובוטים בהשראת חרקים עדיין עומדים בפני אתגרים משמעותיים. נכון לעכשיו, לדוגמה, הרובובי עדיין מחובר למערכות בקרה חיצוניות באמצעות כבלים, מה שמגביל את ניידותו. חוקרים עובדים על מזעור החיישנים, מערכות הבקרה ואספקת החשמל כך שניתן יהיה לשלב אותם ישירות ברובוט המעופף.
מזעור רכיבים אלה נחשב ל"גביע הקדוש המשולש" של המיקרו-רובוטיקה ומציב אתגרים טכניים עצומים. אף על פי כן, חזון החוקרים ברור: נחילים אוטונומיים לחלוטין של מיקרו-רובוטים המסוגלים לבצע משימות מורכבות בסביבות מגוונות.
הטבע כמהנדס: התקדמות במיקרו-רובוטיקה
ביומימטיקה חוללה מהפכה בפיתוח המיקרו-רובוטיקה בכך שאפשרה למהנדסים ליהנות ממיליוני שנים של אופטימיזציה אבולוציונית. התקדמות אחרונה בטכניקות נחיתה בהשראת חרקים עבור מיקרו-רובוטים כמו ה-RoboBee מדגימה באופן מרשים את הפוטנציאל של גישה זו.
על ידי חיקוי מערכות טבעיות, חוקרים לא רק מפתחים רובוטים יעילים וחזקים יותר, אלא גם צוברים תובנות חשובות לגבי המנגנונים הביולוגיים עצמם. כפי שמסבירה אליסה הרננדז, חוקרת פוסט-דוקטורט ושותפה למחברת המחקר של רובובי: "אנו יכולים להשתמש בפלטפורמות הרובוטיות הללו ככלים למחקר ביולוגי ולבצע מחקרים שבודקים השערות ביומכניות."
עתיד הרובוטיקה הביומימטית מבטיח התפתחויות מרתקות נוספות, שכן חוקרים ממשיכים לנצל את מקור ההשראה הבלתי נדלה של הטבע כדי להתגבר על האתגרים הטכנולוגיים של זמננו. הדרך מצפייה בתופעות טבע ועד ליישום הטכנולוגי שלהן אינה תמיד קלה, אך כפי שסיפור ההצלחה של רובובי מדגים, היא יכולה להוביל לחידושים פורצי דרך בעלי פוטנציאל לחולל מהפכה בתחומים רבים בחיינו.
מתאים לכך:
השותף הגלובלי שלך לשיווק ופיתוח עסקי
☑️ השפה העסקית שלנו היא אנגלית או גרמנית
☑️ חדש: התכתבויות בשפה הלאומית שלך!
Konrad Wolfenstein
אני שמח להיות זמין לך ולצוות שלי כיועץ אישי.
אתה יכול ליצור איתי קשר על ידי מילוי טופס יצירת הקשר או פשוט להתקשר אליי בטלפון +49 89 674 804 (מינכן) . כתובת הדוא"ל שלי היא: וולפנשטיין ∂ xpert.digital
אני מצפה לפרויקט המשותף שלנו.
