ساخت کوچک‌ترین و کارآمدترین ربات‌های پرنده با الهام از پروانه شهریار
مهندسان با الهام از پروانه‌های شهریار، بال‌های رباتیکی ساخته‌اند که می‌توانند بدون نیاز به باتری پرواز کرده و صنعت ربات‌های امدادگر و جراح از راه دور را متحول کنند.
به گزارش خبرگزاری آنا به نقل ازادونس ساینس نیوز، این ربات‌های چاپ سه بعدی بر اساس طراحی بال‌های پروانه‌های شهریار یا مونارک ساخته شده‌اند که برای ایجاد حرکات ظریف خود بر میدان‌های مغناطیسی متکی هستند.
دانشمندان با تقلید از پروانه‌های شهریار بال‌های رباتیکی طراحی کرده‌اند که برای پرواز به میدان‌های مغناطیسی متکی هستند و بدون نیاز به قطعات الکترونیکی یا باتری حجیم حرکت می‌کنند.
«محمد خان» «Muhammad Khan» مجری این طرح از دانشگاه فنی دارمشتات در آلمان گفت: «قابلیت‌های حرکتی چشمگیر پروانه‌های شهریار و ساختار‌های بسیار کارآمد و سازگار بال‌های آنها، الهام بخش طراحی ما برای این ربات‌ها بود.»
پروانه‌های شهریار به خاطر استقامت چشمگیرشان معروفند. آنها هر سال با طی هزاران کیلومتر، در پاییز از کانادا به مکزیک مهاجرت می‌کنند تا دوباره در بهار به شمال برگردند. چنین سفر طولانی به لطف ساختار طبیعی امکان پذیر شده که بال‌ها را سبک وزن، انعطاف پذیر و عالی در پرواز نگه می‌دارد؛ ترکیب منحصربه فردی که محققان خواهان تقلید آن در ربات‌های خود بودند.
این طراحی می‌تواند به دانشمندان کمک کند ربات‌های پرنده بسیار کوچک تری بسازند که با دقت بیشتری حرکت می‌کنند، به فضا‌های باریک دسترسی داشته و در عین حال مصرف انرژی بسیار پایینی داشته باشند.
محمد خان گفت: «پروانه‌های مغناطیسی را می‌توان برای نظارت بر محیط زیست، مانند مطالعات گرده افشانی، یا به عنوان ابزار آموزشی استفاده کرد. همچنین طراحی سبک وزن و کم مصرف شان، آنها را برای نویدبخش وسایل نقلیه هوایی در مقیاس میکرو می‌کند که در ماموریت‌های جست‌و‌جو و نجات استفاده می‌شوند.»
ساخت پروانه‌های مغناطیسی
بال‌های پروانه شهریار با وجود اندازه کوچک شان، طراحی بسیار پیچیده‌ای دارند و آنقدر تکامل یافته‌اند تا در سفر‌های بسیار طولانی مقاومت کند. یکی از اصول اساسی و عامل کارآمدی این بال‌ها در طول پرواز این است که آنها نه تنها با حرکت فعال، نیروی رانش ایجاد می‌کنند، بلکه با خم کردن غیرفعال شکل طبیعی خود، می‌توانند بدون صرف انرژی اضافی، روی هوا «سُر بخورند».
پژوهشگران به منظور تقلید این توانمندی، بال‌های پروانه‌ای رباتیک را با تعبیه ذرات مغناطیسی در یک ماده پلاستیکی انعطاف پذیر ساختند.
«کیلیان شافر» «Kilian Schäfer» یکی دیگر از مجریان این مطالعه می‌گوید: «بال‌ها از یک ماده کامپوزیت مغناطیسی ساخته شده‌اند که به میدان‌های مغناطیسی خارجی پاسخ می‌دهد. هنگامی که یک میدان مغناطیسی اعمال می‌شود، ذرات مغناطیسی تعبیه شده در آن باعث خم شدن یا تغییر شکل بال‌ها می‌شود و حرکت بال‌های پروانه واقعی را تقلید می‌کند.»
پژوهشگران با استفاده از چاپگر سه بعدی، ۱۲ طرح بال مختلف با اندازه‌های متفاوت چاپ کردند تا رفتار آنها را با استفاده از ترکیبی از آزمایش‌های تجربی و شبیه سازی‌های کامپیوتری آزمایش کنند. در برخی از این طرح ها، الگو‌های رگه‌ای مشابه الگو‌های موجود در بال‌های پروانه شهریار بازسازی شد تا مشخص شود آیا این ساختار‌ها می‌توانند عملکرد خود را بهبود بخشند یا خیر.
آنچه محققان دریافتند این بود که بال‌های بزرگتر – با طول حدود ۲۸ میلیمتر - با الگو‌های رگه‌ای، سفت‌تر و راحت‌تر خم می‌شوند که باعث می‌شود در طول پرواز شکل خود را بهتر تطبیق دهند.
آزمایش‌ها نشان داد پروانه‌هایی که با استفاده از تنظیمات لیزری با انرژی بالاتر به صورت سه بعدی چاپ شده بودند، نازک ترند و در خم شدن بهتر عمل می‌کنند؛ با این حال، شکننده‌تر و مستعد آسیب دیدگی هستند.
شافر گفت: «بزرگترین چالش، ساخت ساختار‌های نازک و انعطاف پذیر با الگو‌های رگه‌های تعبیه شده بود که همچنان عملیاتی بمانند و کمتر از یک میلی متر ضخامت داشته باشند. اطمینان از ثابت ماندن این ویژگی ها، نیازمند تنظیم دقیق فرآیند چاپ سه بعدی، به ویژه تنظیمات انرژی لیزری، برای دستیابی به خواص مکانیکی مورد نظر بود.»
ربات‌های سبک‌تر و بهتر
طراحی منحصر‌به‌فرد ربات‌های مغناطیسی باعث می‌شود که بدون هیچ گونه قطعه الکترونیکی کار کنند که معمولا کوچک و سبک بودن ربات‌های پرنده را محدود می‌کند.
محمد خان گفت: «در مقایسه با طرح‌های ربات پرنده معمولی، رویکرد ما ویژگی‌های انعطاف پذیری، کاهش وزن و امکان دستیابی به حرکات پیچیده و طبیعی بال را ارائه می‌دهد. ربات‌های الهام گرفته از پروانه علاوه بر استفاده به عنوان وسایل نقلیه هوایی میکرو، می‌توانند در دستگاه‌های زیست پزشکی مانند ابزار‌های جراحی از راه دور و سیستم‌های نظارت بر محیط زیست کاربرد داشته باشند.»
وی افزود: «همچنین این پژوهش می‌تواند الهام بخش طرح‌های جدیدی برای ساخت عضلات مصنوعی و اجزای شکل پذیر در زمینه‌های دیگر باشد».
تا کنون، محققان بر روی مطالعه یک نوع حرکت بال متمرکز شدند که برای بلند کردن و ایجاد نیروی رانش در پروانه‌های شهریار بسیار مهم است. برای تکرار تمام حرکات مختلف مورد نیاز برای پرواز، تحقیقات بیشتری لازم است.
گام‌های بعدی شامل بررسی عملکرد بال‌ها در انواع مختلف میدان‌های مغناطیسی، از جمله میدان‌هایی است که برای کنترل حرکات بال به جلو و عقب در طول زمان تغییر جهت می‌دهند. تحقیق و توسعه بیشتر به آنها امکان می‌دهد طراحی بال را برای کاربرد‌های پرواز در دنیای واقعی بهینه کنند.
در حال حاضر، بال‌ها به دلیل نیازشان به میدان‌های مغناطیسی خارجی، محدود شده‌اند. مطالعات آینده می‌تواند بر روی ادغام مولد‌های میدان مغناطیسی کوچکتر با کنترل بازخورد برای عملکرد مستقل متمرکز شود که می‌تواند به ربات‌ها کمک کند در نهایت بدون کمک انسان حرکت و عمل کنند.
مجریان این طرح از تمایل خود برای استفاده از اصول طراحی مشابه و زیست الهام برای توسعه سایر سیستم‌های رباتیک شکل دهنده به ویژه برای کاربرد‌هایی که به سازگاری و کارایی بالا نیاز دارند، خبر دادند.
انتهای پیام/
