مهندسی الهام گرفته از طبیعت: پیشرفت های رباتیک با بهره گیری از مکنده های شبیه به اختاپوس

مهندسی الهام‌گرفته از زیست: ظهور مکنده‌های رباتیک

حوزه بیومیمتیک یا تقلید از طبیعت—که شامل الهام گرفتن از طراحی‌ها و مکانیزم‌های شگفت‌انگیز موجودات زنده در مهندسی است—عصر جدیدی را برای رباتیک رقم زده است. از سطوح تغییر رنگ‌دهنده مشابه آفتاب‌پرست تا ربات‌های چابک شبیه به حشرات، راه‌حل‌های تکاملی طبیعت همچنان منبع الهام فناوری پیشرفته هستند. یکی از مدل‌های برجسته در این میان، اختاپوس است. بازوهای این جانور دریایی مجهز به مکنده‌هایی قدرتمندند که می‌توانند تقریباً به هر سطحی—صرف نظر از شکل یا بافت—بچسبند. این ویژگی منحصربه‌فرد توجه دانشمندان را برای افزایش چابکی، سازگاری و کاربرد ربات‌ها در محیط‌های پیچیده به خود جلب کرده است.

پیشرفتی مهم در این زمینه در دانشگاه بریستول رخ داده است، جایی که تیمی به رهبری تیان‌چی یو یکی از پیشرفته‌ترین مکنده‌های رباتیک را توسعه داده‌اند. این پژوهشگران با بررسی دقیق روش‌های منحصر به فرد چسبندگی اختاپوس، موفق به ساخت مکنده رباتیکی نرم شدند که عملکرد و انعطاف‌پذیری بیولوژیکی نمونه طبیعی آن را تقریباً بازآفرینی می‌کند.

درک ساختار مکنده‌های اختاپوس: شاهکارهای زیستی

بازوهای اختاپوس با مکنده‌هایی پوشیده شده‌اند که مکش استثنایی ایجاد می‌کنند، به طوری که این جانوران قادرند روی بسترهای ناهموار حرکت کنند، شکار را به دام اندازند و با محیط خود ارتباط برقرار نمایند. تمایز مکنده‌های اختاپوس تنها در سازگاری با سطوح نامنظم نیست، بلکه سلاح مخفی آنها یعنی موسین (مخاط) نقش کلیدی دارد. این ترشح به مهر و موم شدن بین مکنده و سطح کمک کرده و نواقص یا منافذ را جبران می‌کند تا مانع از کاهش مکش شود.

از نظر زیستی، این فرآیند ترکیبی پیشرفته از فعالیت‌های حسی و عضلانی است. سلول‌های مکانورسپتور در مکنده‌ها، برآمدگی‌ها و بافت سطح هدف را تشخیص داده و اطلاعات را به مغز اختاپوس ارسال می‌کنند. نتیجه آن تنظیمات میکروسکوپی در شکل مکنده و کنترل دقیق ترشح مخاط برای ایجاد یک مهر و موم تقریباً ضد آب است. انقباض عضله‌ها فشار داخلی را کاهش داده و با شُل شدن تدریجی همان عضلات، جداسازی بدون نقص ممکن می‌شود.

از زیست تا رباتیک: غلبه بر چالش‌های مهندسی

محدودیت‌های مکنده‌های مصنوعی معمولی

مکنده‌های سنتی که اغلب بر پمپ‌های خلأ یا فشار مکانیکی تکیه دارند، هنگام چسبیدن به سطوح ناهموار یا با بافت مانند سنگ یا صدف با محدودیت‌های جدی مواجه‌اند. تلاش برای شبیه‌سازی مکش طبیعی شامل افزودن ساختارهای میکروسکوپی الهام‌گرفته از دنتیکل‌های اختاپوس (برآمدگی‌های دندانه‌ای ریز) بوده، اما همچنان مشکلات نشت هوا و نیاز به سامانه‌های پیچیده جانبی باقی مانده است.

تیان‌چی یو و تیمش برای یافتن راهکاری بهتر، عمیق‌تر به مکانیزم چسبندگی اختاپوس پرداختند. رویکرد آنها بر ویژگی‌های فیزیکی و قابلیت سازگاری سطحی پویا در سفالوپودها تمرکز داشت.

طراحی بیومیمتیک: مکنده مصنوعی با مهر و موم آب

این تیم با انقلابی در طراحی‌های قبلی، مکنده رباتیک خود را با هسته‌ای از اسفنج سیلیکونی برای انعطاف‌پذیری داخلی و لایه بیرونی از سیلیکون نرم برای انطباق خارجی ساختند. برای شبیه‌سازی عملکرد موسین اختاپوس، سامانه سیالات مصنوعی جهت تزریق آب میان مکنده و سطح مورد اتصال تعبیه شد. البته چسبندگی آب به خوبی مخاط طبیعی—که پنج برابر چسبناک‌تر است—نیست، اما لایه آب بخوبی مهر و موم مکش را افزایش می‌دهد، به‌ویژه در محیط‌های زیر آب یا سطوح بسیار ناهموار.

آزمایش و کشفیات کلیدی

در آزمایش‌های آزمایشگاهی، مکنده مصنوعی روی سطوح چالش‌برانگیزِ متنوعی مانند سنگ‌های زبر و مدل‌های پیچیده مصنوعی آزمایش شد. رمز موفقیت آن در فرآیندی دو مرحله‌ای بود: ابتدا ساختار نرم سیلیکونی تا حدامکان به سطح مورد نظر انطباق می‌یابد و فاصله ابتدایی منافذ را به حداقل می‌رساند؛ سپس سامانه آب‌رسان، فضای میکروسکوپی باقی‌مانده را پر می‌کند تا مهر و موم ایجاد شده و نشت سریع آب یا هوا جلوگیری شود.

در تکرارهای مختلف، میزان چسبندگی مکنده رباتیک آب‌بندی شده تا ۵۵ برابر بیشتر از مکنده‌های خشک معمولی روی سطح باقی می‌ماند. این دستاورد نشان‌دهنده پتانسیل بالای مکانیسم‌های چسبندگی با تنظیم سیالات و ارزش عملی آنها در کاربردهایی است که راهکارهای سنتی موفق عمل نمی‌کنند.

آینده مکش سازگار در رباتیک

به گفته پژوهشگران: «مکانیسم مکش ما پتانسیل بالای تنظیم مایعات در بهبود سازگاری مکش را نشان داده و چسبندگی قدرتمند و تطبیق‌پذیری را در سطوح خشک و پیچیده ممکن می‌سازد. این فناوری استراتژی اتصال نرم، کم‌هزینه، تمیز و موثری را برای ربات‌های نسل آینده فراهم می‌کند.» این ویژگی‌ها رباتیک زیرآبی، عملیات نجات و کاوش خودکار در محیط‌های سخت یا غیرقابل دسترس نظیر غارهای دریایی یا مکان‌های باستانی را بسیار امیدوارکننده می‌کند.

پیامدهای گسترده‌تر: گام بعدی رباتیک بیومیمتیک

پیشرفت‌های الهام گرفته از چسبندگی اختاپوس در نقطه تلاقی زیست‌شناسی دریایی، رباتیک نرم و علم مواد قرار دارد. این سامانه‌های رباتیک با رفع موانع مکنده‌های مصنوعی قبلی از طریق بهره‌گیری نوآورانه از مهر و موم مایعات و تطابق مکانیکی، آغازگر نسل جدیدی از ربات‌های بیومیمتیک هستند. کاربردهای احتمالی این فناوری فراتر از محیط‌های زیر آب و شامل ربات‌های پزشکی (برای گرفتن و جابه‌جایی ملایم)، اتوماسیون صنعتی و حتی ماموریت‌های فضایی می‌شود—جایی که چسبندگی سازگار می‌تواند در اکتشاف سیارات یا جمع‌آوری بقایای فضایی مفید باشد.

در آینده، تحقیقات بیشتر پیرامون بهینه‌سازی آنالوگ‌های مخاط مصنوعی، حسگرهای پیشرفته و مکانیزم‌های حرکت دقیق‌تر می‌تواند توانایی این بازوهای رباتیک را به قابلیت‌های خارق‌العاده نمونه‌های طبیعی نزدیک‌تر نماید. با ورود بازوهای کامل‌تر مجهز به مکنده‌های پیشرفته، باید منتظر انتشار نسل جدید ربات‌هایی بود که هوش مصنوعی را با ظرافت و سازگاری مهندسی طبیعت ترکیب می‌کنند.

جمع‌بندی

پیشرفت‌های اخیر در ساخت مکنده‌های رباتیک الهام‌گرفته از اختاپوس یک جهش مهم در رباتیک نرم و مهندسی بیومیمتیک است. با موفقیت در تقلید هر دو جنبه ساختاری و عملکردی مکنده‌های طبیعی—خصوصاً بهره‌گیری از سامانه آب‌بندی مبتنی بر آب—پژوهشگران راه را برای ربات‌هایی هموار کرده‌اند که می‌توانند به شکلی بی‌سابقه اجسام را گرفته و در محیط‌های پیچیده فعالیت کنند. این فناوری می‌تواند تحولی اساسی در اکتشاف زیر آب، ماموریت‌های امداد و عملیات صنعتی حساس ایجاد کند و بار دیگر نشان می‌دهد که طبیعت بهترین الگوها را برای موفقیت در نوآوری فناوری در اختیار بشر قرار داده است.