يقوم فريق نورث كارولينا بتطوير روبوت ناعم "القفز اللانهائي" الذي يمكنه الاستمرار في التحرك طالما كان هناك ضوء

الملخص:

قام فريق بحث في جامعة ولاية كارولينا الشمالية بالولايات المتحدة مؤخرًا بتطوير نوع جديد من الروبوتات الناعمة. ويمكن للروبوت القفز بشكل مستمر عند إضاءته بالأشعة تحت الحمراء دون الحاجة إلى تدخل بشري أو إعادة ضبط. وقال الباحثون إن هذا الإنجاز يوضح آلية حركة مستقلة جديدة للروبوتات الناعمة ويقدم أفكارا جديدة لتصميم الروبوتات ذاتية القيادة في المستقبل.

هذا الروبوت على شكل قطرة ماء، وقد أطلق عليه فريق البحث اسم "Ring Jumper". على عكس العديد من الروبوتات التي تتطلب بطاريات أو محركات أو أنظمة تحكم معقدة، فإنها تعتمد فقط على ضوء الأشعة تحت الحمراء الخارجي للحصول على الطاقة. بمجرد إضاءته، يمكن للروبوت الاستمرار في أداء الإجراءات الدورية والتبديل بين أوضاع الحركة المختلفة مثل الأمام والقفز وحتى الطيران العمودي.

المبدأ الأساسي للروبوت هو استخدام التشوه الالتوائي لتخزين طاقة الوضع المرنة وإطلاقها على الفور عندما تصل إلى نقطة حرجة، وفقًا للباحثين. نظرًا لأن الهيكل نفسه لديه القدرة على الاسترداد تلقائيًا، ليست هناك حاجة لإعادة التعيين بعد كل قفزة، ولكن يمكنه العودة إلى الحالة الأولية وبدء الجولة التالية من الإجراء. يمكن تكرار العملية برمتها طالما استمر وجود ضوء الأشعة تحت الحمراء.

من الناحية الهيكلية، يتكون الروبوت بشكل أساسي من حلقة على شكل قطرة مصنوعة من مادة المطاط الصناعي البلورية السائلة، متصلة بهيكل رفيع من الألومنيوم على شكل حرف V في أحد طرفيه. عندما يضرب ضوء الأشعة تحت الحمراء سطح المادة، يتقلص المطاط الصناعي البلوري السائل، مما يتسبب في دوران الهيكل بأكمله.

بدون تصميم إضافي، عادةً ما يتم تمرير هذا الهيكل في مكانه. ومع ذلك، فإن أجزاء الألومنيوم على شكل حرف V المثبتة في الأطراف تمنع هذه العملية، مما يتسبب في تراكم التشوه الالتوائي للحزام بشكل مستمر. ومع استمرار زيادة الحمل الالتوائي، تصبح طاقة الوضع المرنة المخزنة في المادة أكبر فأكبر. عند الوصول إلى نقطة حرجة معينة، يتم إطلاق الطاقة فجأة، وسرعان ما يخرج الهيكل على شكل حرف V إلى الأسفل ويضرب الأرض، وبالتالي يقذف الروبوت بأكمله في الهواء.

بعد الانتهاء من القفزة، سيعود الروبوت إلى شكله الأصلي ثم يبدأ دورة تخزين الطاقة وإطلاقها مرة أخرى، ليشكل سلوك القفز المستقل المستمر.

وجد فريق البحث أن مجرد تغيير زاوية الهيكل على شكل حرف V يمكن أن يغير بشكل كبير الطريقة التي يتحرك بها الروبوت. عندما تكون الزاوية المضمنة حوالي 120 درجة، يتحرك الروبوت بشكل أساسي للأمام ببطء بطريقة الزحف؛ وعندما تتقلص الزاوية المضمنة إلى 90 درجة، يقفز الروبوت للأمام؛ وعندما تنخفض الزاوية المضمنة إلى حوالي 50 درجة، يمكن للروبوت القفز عموديًا تقريبًا في الهواء.

وقال الباحثون إن هذا يعني أنه يمكن للروبوت نفسه التبديل بين أوضاع الحركة المختلفة عن طريق ضبط معلمة هندسية بسيطة دون تغيير مبدأ القيادة أو إضافة أنظمة تحكم إضافية.

بالإضافة إلى ضبط الزاوية المضمنة، وجد الفريق أيضًا أن موضع مركز ثقل الروبوت يؤثر أيضًا على أداء الحركة. تظهر التجارب أنه من خلال إضافة كمية صغيرة من الثقل الموازن إلى الطرف المستدير للهيكل على شكل قطرة، يمكن للروبوت تحقيق مسافة قفز أطول ومسار أمامي أكثر استقرارًا. ويشبه الباحثون هذه الظاهرة بالسباح الذي يميل إلى الأمام عند الانطلاق للحصول على قوة دفع أكبر.

خلال التجربة، لاحظ فريق البحث أيضًا أن كثافة ضوء الأشعة تحت الحمراء أمر بالغ الأهمية للأداء الرياضي. إذا كانت شدة الضوء غير كافية، فلن يتمكن الروبوت من تجميع طاقة كافية لإكمال القفزة؛ ولكن إذا كانت شدة الضوء قوية جدًا، فقد تصبح عملية القفز غير مستقرة وقد يكون الاتجاه غير قابل للتنبؤ به. لذلك، يعد التحكم المناسب في شدة الضوء شرطًا مهمًا لتحقيق حركة مستقرة ومستمرة.

يعتقد الباحثون أن هذا النوع من الروبوتات الناعمة التي يمكنها إعادة ضبط نفسها ذاتيًا ومواصلة الحركة ولها هيكل بسيط من المتوقع أن يتم استخدامها في مجالات استكشاف البيئة المعقدة وفحص المساحات الضيقة وأبحاث الروبوتات الناعمة الجديدة ذاتية القيادة في المستقبل. نظرًا لأنه لا يتطلب نظام تحكم إلكترونيًا معقدًا ويمكنه إكمال الحركة المستقلة بالاعتماد فقط على خصائص المواد ومصادر الضوء الخارجية، فإنه يوفر أيضًا اتجاهًا جديدًا لتطوير تصميم الروبوت خفيف الوزن ومنخفض التكلفة في المستقبل.