روبوت التونة قد يمهّد الطريق لروبوتات ومسيّرات تحت الماء أكثر مناورة وكفاءة
لا يوجد شيء جديد في الروبوتات القادرة على السباحة تحت الماء. فعلى سبيل المثال، في بداية عام 2021 زودت جامعة كارنيجي ميلون ثعبانها الروبوتي الشهير بتوربينات ومراوح دفع، لمنحه قدرات الرياضات المائية. لكن قلائل يستطيعون فعل ذلك بأناقة وسرعة وخفة السمكة الحقيقية. والأمر ليس أن العلماء تجنبوا محاولة بناء روبوت قادر على فعل ذلك تحديداً.
الروبوتات تحت الماء مفيدة في دراسة أشياء في أعماق البحار، من السفن الغارقة إلى أشكال حياة جديدة. لكنها تعاني من بعض القيود. فهي تميل مثلاً إلى التحرك بسرعة واحدة، ويضطر المشغلون في أغلب الأحيان إلى إلقائها في الماء بالقرب من المكان المطلوب. أما الدفعات المائية للغواصين، وهي في الغالب مراكب غوص صغيرة، فهي سريعة، لكنها لا تستطيع الاقتراب من شيء يحتاج إلى دراسة أدق.
ما نحتاجه فعلاً هو روبوت تحت الماء يستطيع السباحة إلى مكان بعيد ثم التباطؤ لدراسته بتمعن أكبر. لكن الأمر أعقد مما يبدو للوهلة الأولى.
توصل باحثون من جامعة فرجينيا إلى طريقة لبناء جهاز روبوتي يؤدي كل ما سبق، عبر محاكاة صلابة ذيل السمكة، كما اكتشفوا وطبقوا معادلة رياضية بسيطة وجميلة. ونتيجة لذلك، ظهر روبوت يستطيع التسارع والتباطؤ تقريباً بالجودة نفسها التي تملكها السمكة الحقيقية. ونشروا عملهم في Science Robotics.
لغز الأسماك قد حُلّ
«صلابة ذيل واحد تشبه امتلاك تروس واحدة فقط في الدراجة. لن تكون فعالاً إلا عند سرعة واحدة. وسيكون الأمر أشبه بركوب دراجة ذات تروس ثابتة في سان فرانسيسكو، فستنهك خلال بضعة شوارع فقط»
اقترح كوين وزميله في البحث تشيان تشونغ أن السمكة تغيّر صلابة ذيلها لتلبية حاجتها المتغيرة كثيراً إلى السرعة. ومن المؤسف أن التحقق من ذلك أو قياسه صعب أثناء سباحة السمكة، لذلك كانت الصلابة اللازمة للتحرك بكفاءة بسرعات مختلفة مجهولة. دمج الباحثون علم الديناميكا المائية والميكانيكا الحيوية لتطوير نموذج يمكن أن يقدم الإجابة، وكما يقول تشونغ، «يكشف لغزاً قديماً حول كيفية تأثير صلابة الذيل في كفاءة السباحة».
جاء حل اللغز أنيقاً بشكل مدهش. «مدهش. خرجت نتيجة بسيطة من كل هذه الرياضيات: يجب أن تزداد الصلابة مع تربيع سرعة السباحة»، قال كوين.
التونة تجتاز الاختبار
للتحقق من استنتاجاتهم، بنى العلماء روبوتاً تحت الماء يشبه التونة، مزوداً بوتر اصطناعي قابل للبرمجة، يتيح ضبط صلابة ذيله على سرعات مختلفة أثناء تحركه عبر قناة مائية للاختبار.
«استطاع روبوتنا فجأة السباحة في نطاق أوسع من السرعات، مستهلكاً نحو نصف الطاقة التي يستهلكها الروبوت نفسه بذيل ذي صلابة ثابتة. كان التحسن مذهلاً حقاً»
ويشيد تشونغ بنهجهم المتعدد التخصصات: «نحن لا نركز على التحليل النظري فحسب، بل نقدم أيضاً دليلاً عملياً لضبط الصلابة». وقد أثبتت استراتيجية الصلابة القابلة للضبط التي يقترحها الباحثون فعاليتها في مهام سباحة واقعية، إذ حقق الروبوت السمكي سرعة عالية وكفاءة عالية في السباحة في الوقت نفسه.
بعد إثبات نظريتهم باستخدام التونة القابلة للضبط، يهتم العلماء بنقل هذه التقنية في الذيل إلى روبوتات مائية بأحجام تتراوح بين الشراغيف والدلافين. ويعمل كوين وتشونغ حالياً على تطوير روبوت موجي مستوحى من أسماك الراي.
«الأسماك تتمتع بكفاءة سباحة عالية عبر نطاق واسع من السرعات. مفتاح ذلك هو مرونتها، لكن من حيث الأداء حتى الأسماك الروبوتية المرنة لا تستطيع مطاردة السمكة الحقيقية. <…> طورنا نموذجاً يفسر كيف ولماذا تؤثر صلابة الضبط في الأداء. نبين أنه لتحقيق أقصى كفاءة يجب أن يتناسب الإجهاد العضلي مع تربيع سرعة السباحة، مما يقدم استراتيجية ضبط بسيطة للروبوتات الشبيهة بالأسماك. يمكن لضبط الصلابة أن يضاعف كفاءة السباحة عند ترددات وسرعات شبيهة بالتونة (من 0 إلى 6 هرتز، ومن 0 إلى 2 طول جسم في الثانية). يزداد توفير الطاقة مع زيادة التردد، مما يشير إلى أن الروبوتات الشبيهة بالأسماك عالية التردد هي الأكثر استفادة من ضبط الصلابة»، جاء ذلك في العمل العلمي.
«لا أعتقد أننا سننتهي من المشاريع قريباً. فكل كائن مائي درسناه أعطانا أفكاراً جديدة عن كيفية بناء روبوتات سباحة أكثر تطوراً. وفي البحر ما يزال هناك الكثير من الأسماك»
قد يؤدي عمل الباحثين يوماً ما إلى ظهور فئة كاملة من المسيّرات القادرة على الانتقال بسرعة إلى مكان بعيد ثم التباطؤ لاستكشاف المنطقة. وعلى غرار الثعبان الروبوتي المائي، قد تستخدمه القوات المسلحة الأمريكية لفحص سفنها بحثاً عن الأضرار.
