مهندسو جامعة ستانفورد يطوّرون مسيّرة بـ«أقدام طيور» قادرة على الجلوس على الأغصان ونقل الأشياء
لا يوجد في العالم غصنان متطابقان. فهي تختلف في الحجم والشكل والملمس، وقد تكون بعضها مبللة أو مغطاة بالطحالب أو البراعم. ومع ذلك، تستطيع الطيور الهبوط على أي منها تقريباً.
أثارت هذه القدرة اهتماماً كبيراً في مختبرات مهندسي جامعة ستانفورد مارك كاتكوسكي وديفيد لنتينك، اللذين يعملان حالياً في جامعة غرونينغن في هولندا. وقد طوّر كلاهما تقنيات مستوحاة من قدرات الحيوانات.
«ليس من السهل محاكاة طريقة طيران الطيور وهبوطها على الأسطح. فبعد ملايين السنين من التطور، تجعل الطيور إقلاعها وهبوطها خفيفين، رغم كل التعقيد والتنوع في أغصان الأشجار التي يمكن العثور عليها في الغابة»
أتاحت سنوات من أبحاث الروبوتات المستوحاة من الحيوانات في مختبر كاتكوسكي، والروبوتات الجوية المستوحاة من الطيور في مختبر لنتينك، للباحثين أن يبتكروا مسيّرة خاصة بهم تشبه الطيور، وصفت بالتفصيل في دراسة نشرت في مجلة Science Robotics. وعند تثبيت «الأقدام» على رباعية المراوح، فإن «قبضتها الجوية النمطية»، أو SNAG، تشكّل روبوتاً يستطيع الطيران والإمساك بالأشياء ونقلها والهبوط على أسطح مختلفة.
وللدلالة على الطابع الشامل المحتمل لهذا العمل، استخدم الباحثون الروبوت لمقارنة أنواع مختلفة من ترتيب الأصابع على أقدام الطيور، ولقياس المناخ الصغير في غابات نائية في ولاية أوريغون.
في دراسات سابقة على الببغاوات، كانت الطيور الصغيرة تطير ذهاباً وإياباً بين عشّاشات خاصة، وتُسجَّل حركتها بخمس كاميرات عالية السرعة. كما وُضعت على أعمدة بأحجام ومواد مختلفة، منها الخشب والإسفنج وورق الصنفرة والتفلون، أجهزة استشعار تلتقط القوى الفيزيائية المرتبطة بالهبوط والجلوس والإقلاع.
«ما فاجأنا هو أنها كانت تنفذ المناورات الجوية نفسها، بغض النظر عن السطح الذي تهبط عليه. فهي تسمح للأقدام بالتعامل مع تغير ملمس السطح وتعقيده»
هذا السلوك النمطي الذي يُلاحظ في هبوط كل طائر هو سبب كون حرف S في SNAG يعني «نمطي». وكما هو الحال مع الببغاوات، تتعامل SNAG مع كل منصة بالطريقة نفسها. لكن، ومراعاةً لحجم رباعية المراوح، تعتمد SNAG على أقدام الصقر الشاهين (طائر جارح من فصيلة الصقريات). فبدلاً من العظام، لديها بنية مطبوعة بطابعة ثلاثية الأبعاد، احتاج تحسينها إلى 20 محاولة، بالإضافة إلى محركات وخيوط صيد تحل محل العضلات والأوتار.
لكل قدم محرك خاص للحركة إلى الأمام والخلف، وآخر للإمساك. ومستوحاة من طريقة مرور الأوتار حول الكاحل لدى الطيور، تمتص آلية مشابهة في قدم الروبوت طاقة الصدمة عند الهبوط وتحوّلها بشكل سلبي إلى قوة قبض. ونتيجة لذلك، يمتلك الروبوت وصلة قوية للغاية وسريعة الاستجابة، تُفعَّل خلال 20 ميلي ثانية. وبعد الإمساك بالغصن، يستشعر قفل الكاحل في SNAG ومقياس التسارع في القدم اليمنى أن الروبوت قد هبط، فيبدأ خوارزمية الموازنة لتثبيته.
خلال جائحة كورونا، نقل رودريك المعدات، بما فيها الطابعة ثلاثية الأبعاد، من مختبر لنتينك في ستانفورد إلى الريف في أوريغون، حيث أنشأ مختبراً في قبو لإجراء اختبارات مضبوطة. وهناك أرسل SNAG عبر نظام سكك يحرك الروبوت على أسطح مختلفة، وبسرعة واتجاه محددين، ليرى كيف يعمل في سيناريوهات متعددة.
وبعد تثبيت SNAG، تأكد رودريك أيضاً من قدرة الروبوت على التقاط أشياء يُرمى بها باليد، ومنها دمية صيد وكيس من حبوب الذرة وكرة تنس. وأخيراً، خاطر رودريك وSNAG بالتوجه إلى غابة قريبة لإجراء عدة تجارب في العالم الحقيقي.
عموماً، أدى SNAG أداءً جيداً لدرجة أن الخطوات التالية في التطوير ستركز على ما يحدث قبل الهبوط، مثل تحسين الوعي بالموقف والتحكم في طيران الروبوت.
لهذا الجهاز الروبوتي عدد لا يحصى من التطبيقات المحتملة، منها عمليات البحث والإنقاذ ومراقبة حرائق الغابات. ويمكن استخدامه أيضاً مع تقنيات أخرى غير المسيّرات. ويتيح قرب SNAG من الطيور الحصول على فهم فريد لبيولوجيا الطيور.
على سبيل المثال، أدار الباحثون روبوتًا بتشكيلين مختلفين لأصابع القدم: الأنيزودكتيل، الذي يملك ثلاثة أصابع في الأمام وإصبعًا واحدًا في الخلف، كما هو الحال لدى الصقر الشاهين، والزيغودكتيل، الذي يملك إصبعين في الأمام وإصبعين في الخلف، كما هو الحال لدى الببغاء. ومع دهشتهم، وجدوا أن الفرق في الأداء بين التشكيلين ضئيل جدًا.
بالنسبة لرودريك، الذي يعمل والداه كلاهما في علم الأحياء، فإن أحد أهم تطبيقات SNAG هو الأبحاث البيئية. ولهذا الغرض، ألحق الباحثون بالروبوت أيضاً مستشعراً للحرارة والرطوبة، استخدمه رودريك لتسجيل المناخ الصغير في أوريغون.
«كان الدافع الرئيسي لهذا العمل جزئياً هو تطوير أدوات يمكن استخدامها لدراسة عالم الطبيعة. فإذا كان لدينا روبوت يستطيع التصرف كطائر، فسيفتح أمامنا طرقاً جديدة تماماً لدراسة البيئة»
أشاد لنتينك، وهو المؤلف الأول الأقدم للدراسة، بمثابرة رودريك في هذا المشروع الذي يمتد لسنوات.
«في الواقع، كان ويل هو من أطلق هذه الدراسة، إذ تحدث قبل ست سنوات مع عدد من علماء البيئة في بيركلي، ثم كتب بحثه لمنحة NSF حول نشر الروبوتات الجوية لمراقبة البيئة. وجاء بحث ويل في وقته المناسب، إذ خصصت جائزة XPRIZE الآن مبلغ 10 ملايين دولار لحل مسألة مراقبة التنوع البيولوجي في الغابات الاستوائية»
