مهندسان با الهام از پروانه های شهریار بال های رباتیکی ساخته اند که می توانند بدون نیاز به باتری پرواز کرده و صنعت ربات های امدادگر و جراح از راه دور را متحول کنند.
به گزارش خبرگزاری آنا به نقل ازادونس ساینس نیوز این ربات های چاپ سه بعدی بر اساس طراحی بال های پروانه های شهریار یا مونارک ساخته شده اند که برای ایجاد حرکات ظریف خود بر میدان های مغناطیسی متکی هستند.
دانشمندان با تقلید از پروانه های شهریار بال های رباتیکی طراحی کرده اند که برای پرواز به میدان های مغناطیسی متکی هستند و بدون نیاز به قطعات الکترونیکی یا باتری حجیم حرکت می کنند.
«محمد خان» «Muhammad Khan» مجری این طرح از دانشگاه فنی دارمشتات در آلمان گفت: «قابلیت های حرکتی چشمگیر پروانه های شهریار و ساختار های بسیار کارآمد و سازگار بال های آنها الهام بخش طراحی ما برای این ربات ها بود.»
پروانه های شهریار به خاطر استقامت چشمگیرشان معروفند. آنها هر سال با طی هزاران کیلومتر در پاییز از کانادا به مکزیک مهاجرت می کنند تا دوباره در بهار به شمال برگردند. چنین سفر طولانی به لطف ساختار طبیعی امکان پذیر شده که بال ها را سبک وزن انعطاف پذیر و عالی در پرواز نگه می دارد؛ ترکیب منحصربه فردی که محققان خواهان تقلید آن در ربات های خود بودند.
این طراحی می تواند به دانشمندان کمک کند ربات های پرنده بسیار کوچک تری بسازند که با دقت بیشتری حرکت می کنند به فضا های باریک دسترسی داشته و در عین حال مصرف انرژی بسیار پایینی داشته باشند.
محمد خان گفت: «پروانه های مغناطیسی را می توان 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 می کند که در ماموریت های جست و جو و نجات استفاده می شوند.»
ساخت پروانه های مغناطیسی
بال های پروانه شهریار با وجود اندازه کوچک شان طراحی بسیار پیچیده ای دارند و آنقدر تکامل یافته اند تا در سفر های بسیار طولانی مقاومت کند. یکی از اصول اساسی و عامل کارآمدی این بال ها در طول پرواز این است که آنها نه تنها با حرکت فعال نیروی رانش ایجاد می کنند بلکه با خم کردن غیرفعال شکل طبیعی خود می توانند بدون صرف انرژی اضافی روی هوا «سُر بخورند».
پژوهشگران به منظور تقلید این توانمندی بال های پروانه ای رباتیک را با تعبیه ذرات مغناطیسی در یک ماده پلاستیکی انعطاف پذیر ساختند.
«کیلیان شافر» «Kilian Schäfer» یکی دیگر از مجریان این مطالعه می گوید: «بال ها از یک ماده کامپوزیت مغناطیسی ساخته شده اند که به میدان های مغناطیسی خارجی پاسخ می دهد. هنگامی که یک میدان مغناطیسی اعمال می شود ذرات مغناطیسی تعبیه شده در آن باعث خم شدن یا تغییر شکل بال ها می شود و حرکت بال های پروانه واقعی را تقلید می کند.»
پژوهشگران با استفاده از چاپگر سه بعدی ۱۲ طرح بال مختلف با اندازه های متفاوت چاپ کردند تا رفتار آنها را با استفاده از ترکیبی از آزمایش های تجربی و شبیه سازی های کامپیوتری آزمایش کنند. در برخی از این طرح ها الگو های رگه ای مشابه الگو های موجود در بال های پروانه شهریار بازسازی شد تا مشخص شود آیا این ساختار ها می توانند عملکرد خود را بهبود بخشند یا خیر.
آنچه محققان دریافتند این بود که بال های بزرگتر – با طول حدود ۲۸ میلیمتر – با الگو های رگه ای سفت تر و راحت تر خم می شوند که باعث می شود در طول پرواز شکل خود را بهتر تطبیق دهند.
آزمایش ها نشان داد پروانه هایی که با استفاده از تنظیمات لیزری با انرژی بالاتر به صورت سه بعدی چاپ شده بودند نازک ترند و در خم شدن بهتر عمل می کنند؛ با این حال شکننده تر و مستعد آسیب دیدگی هستند.
شافر گفت: «بزرگترین چالش ساخت ساختار های نازک و انعطاف پذیر با الگو های رگه های 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.»
ربات های سبک تر و بهتر
طراحی منحصر به فرد ربات های مغناطیسی باعث می شود که بدون هیچ گونه قطعه الکترونیکی کار کنند که معمولا کوچک و سبک بودن ربات های پرنده را محدود می کند.
محمد خان گفت: «در مقایسه با طرح های ربات پرنده معمولی رویکرد ما ویژگی های انعطاف پذیری کاهش وزن و امکان دستیابی به حرکات پیچیده و طبیعی بال را ارائه می دهد. ربات های الهام گرفته از پروانه علاوه بر استفاده به عنوان وسایل نقلیه هوایی میکرو می توانند در دستگاه های زیست پزشکی مانند ابزار های جراحی از راه دور و سیستم های نظارت بر محیط زیست کاربرد داشته باشند.»
وی افزود: «همچنین این پژوهش می تواند الهام بخش طرح های جدیدی برای ساخت عضلات مصنوعی و اجزای شکل پذیر در زمینه های دیگر باشد».
تا کنون محققان بر روی مطالعه یک نوع حرکت بال متمرکز شدند که برای بلند کردن و ایجاد نیروی رانش در پروانه های شهریار بسیار مهم است. برای تکرار تمام حرکات مختلف مورد نیاز برای پرواز تحقیقات بیشتری لازم است.
گام های بعدی شامل بررسی عملکرد بال ها در انواع مختلف میدان های مغناطیسی از جمله میدان هایی است که برای کنترل حرکات بال به جلو و عقب در طول زمان تغییر جهت می دهند. تحقیق و توسعه بیشتر به آنها امکان می دهد طراحی بال را برای کاربرد های پرواز در دنیای واقعی بهینه کنند.
در حال حاضر بال ها به دلیل نیازشان به میدان های مغناطیسی خارجی محدود شده اند. مطالعات آینده می تواند بر روی ادغام مولد های میدان مغناطیسی کوچکتر با کنترل بازخورد برای عملکرد مستقل متمرکز شود که می تواند به ربات ها 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 سیستم های رباتیک شکل دهنده به ویژه برای کاربرد هایی که به سازگاری و کارایی بالا نیاز دارند خبر دادند.