The Physics of Movement in Fluid Environments

إن ترجمة الحركة البيولوجية إلى نظم مصممة تستند إلى أساس ميكانيكي سائل، فالعالم الطبيعي يُظهر مجموعة من الحلول للتحرك عبر المياه والهواء، وكلها تُفضي إلى التطور بالنسبة لميزانيات الحجم والسرعة والطاقة المحددة، ولا يمكن للآليين الذين يحاولون بناء سباح أو مرفأ مستقل، فهم الاختلافات الأساسية بين التدفق الحرجي والتدفق الاضطراباتي، وتوليد ونجاح المواد الدوائية الحديثة

عدد وتنوع نظم تسجيلات السباحة

ويُعدّ عدد الرافدين (Reynolds) الذي لا يُعدُّ بعداً مقارنةً بالقوات المتقلبة، المشهد التشغيلي لأي كائن حيّ أو آليّ مُتسمّى، ويُحدّد النظام البكتريومي المُتميز في الـ 10-4، عالماً مختلفاً تماماً عن الـدول التي تُنبَطِّر في الـ 106.

Vortices as Propulsive Engines

ويولد في الأرقام المتوسطة والعالية للبيع، حيوانات وروبوتات على حد سواء، قوة دفع من خلال خلق وتلاعب دودة في السوائل المحيطة، ويسمح التمييز بين التدفقات الجاهزة للحركة السائلة على أساس السحب والارتفاع، حيث يستخدم الكثير من الأسماك موجة الجسم التي تنتهي في ذيل من المعجبين، مما يولد تدفقا من السائل المتناوب مع حلقة الدفتر.

Reverse Engineering Naturersquo;s Strategies for Drag Reduction

فالتحرك بكفاءة من خلال السائل هو الحد من المقاومة، حيث أنه يتعلق بتوليد الزخم، وقد تطورت الطبيعة بعدة آليات لإدارة طبقة الحدود، ومنطقة السائل الرقيق المتاخمة للجسد، والسطح الذي تهيمن فيه الآثار المتأصلة، وتوقف الانتقال من التدفق المائي إلى التدفق المضطرب، أو السيطرة الفعلية على الاحتكاك الجلدي، يمكن أن يحقق وفورات كبيرة في الطاقة.

Shark Skin and Compliant Coatings

وقد تكون شحوم جلد القرش هي أكثر الأمثلة شهرة على الحد من السحب السلبي في الطبيعة، وهذه المقاييس الجامدة وشبه الأسنان تبرز الانابيب المتسقة مع اتجاه التدفق، وتتداخل هذه الانجيلات مع تكوين طوافات متقاطعة في طبقة الحدود المضطربة، مما يقلل من احتكاك الجلد من عدة نقاط مئوية، بينما تظل الآليات الدقيقة منطقة بحوث نشطة، وضغوط آلية مستقلة

تبسيط ومورفينج الجسم

إن قياس الجسم بأكمله، بالإضافة إلى الهيكل الجزئي، هو عامل رئيسي في جر الضغط، حيث تخلق هيئة الخداع واقية من الضغط، بينما يتيح الشكل المبسط للدموع التدفق لإعادة الارتداد بسلاسة، مما يقلل حجم الانذار وما يرتبط به من فقدان في الطاقة، وقد تصقل متغيرات التكوينات السطحية والدمفونات هذه على شكله، والتحدي الذي يواجهه الإنسان الآليون في بداية العملة.

الآليات والمواد اللازمة للوسائل المشبع بالبيوت

إن ترجمة الديناميات السائبة للكائنات الحية إلى معدات مهندسة يتطلب خروجا عن الروبوتات الصناعية التقليدية، وكثيرا ما لا يمكن للمحركات الكهربائية، والعتاد المعدني، والروابط الصلبة أن تستنسخ الموجات السلسة أو المروجة أو المرونة السلبية التي تُشاهد في الحيوانات، وقد اعتمد الميدان آليات متوافقة ومواد ذكية لسد هذه الفجوة.

الآليات المؤهلة للطاقة الذرية

فالنشاطات التي تولدها الأسماك من خلال موجة مستمرة من الجسم تزيد من الارتداد من الرأس إلى ذيل، ولا يمكن للجزءات المتردية المرتبطة بالمفاصل المميزة أن تبث موجة سلسة دون أن تكون هناك قدرة عالية على التحكم في السائل، كما أن الآليات المساندة - وهي هياكل ذات طابع واحد أو مستمر تزدهر في نقاط محددة - وهي تحل هذه المشكلة عن طريق توزيع السائل على الجسم.

ناشطون من فئة الناشطين: SMAs, PAMs, and Twisted-Coil Polymers

وتسمح هذه المركبات والعتادات بتكرار حركة الحيوانات المائية والجوية الصامتة والموزعة والمأمونة بطبيعتها، وتُحدث تكنولوجيات التهوية الراقية هذه، وتُحدث المحارم ذات التأثيرات الآلية في عقد التعددية الكهربية، وتُحدث هذه الكائنات الآلية الاصطناعية التي تُستخدم في كاليفورنيا، وتُعدّل التدفقات الاصطناعية، أو تُدمج في إطار ممر أجنحة مرنة مرنة مرنة مرنة.

دراسات حالة في الروبوتات ذات الصبغة الفلوية المُلهمة

وقد ترجمت عدة مشاريع بارزة هذه المبادئ إلى نماذج عمل، مما يدل على مزايا عملية على المركبات التقليدية تحت سطح الماء والطائرات.

Soft Robotic Fish: The University of California and MIT

فالسمك الآلي الناعم الذي طوره الباحثون في معهد ماسالاي يستخدم هيكلاً هيكلياً من هيكل هيكل الأسماك غير المتحرك بالليزر في جلد سيليكون، ويملي الهيكل الحي الناعم الذي كان يحركه الهيكل الآلي الذي كان يحركه الهيكل الكائني المتين، ويستطيع الباحثون أن يطابقوا الهيكل الطبيعي الناشط الذي كان يتفاعل فيه مع الكائنات الحية المتحركة.

Bat Bot (B2): Morphing Wings for Aerial Agility

وتُعدل الحيوانات المهددة بالزوارق بشكل استثنائي بضبط أجنحتها باستمرار طوال فترة السكتة، وتُعدّل البات بوت (B2) في كالتيك وجامعة إيلينوي، آلياً غير ملوث تماماً يُنتج عن القذف المعقد للضربات الحادة، وتتكون أجنحته من مصباح رقيق ممتد على هيكل هيكل هيكل هيكلي مهيمن.

Festorsquo;s Bionic Learning Network: Practical Industrial Inspiration

:: إنتاج سلسلة من الروبوتات ذات الصبغة الحيوية التي تظهر فيها مبادئ دينامية السوائل في العمل، وتُستخدم شبكة " أكوا جيللي " للحركة الذكية، و " جرس نقي " للدفع نحو نفسها، مما يُحدث آلية للضغط على الجرس، وهي تستخدم في تصميمات ذاتية العجلات الميكانيكية، وتُستخدم فيها مواد آلية واحدة متحركة.

استراتيجيات المراقبة للبيئات غير المعروفة والمتسربة

إن تقليد ديناميات السائل لآلي في دبابة ما هو أحد التحديات؛ فالتحكم فيها في المحيط المضطرب أو الغلاف الجوي الغاشم هو تحد آخر، والتفاعل بين حركة الروبوتات والسوائل غير خطي والوقت على نحو كبير، ويتطلب تحقيق استقلالية قوية في هذه الظروف توليفة للاستشعار، والنمذجة، والسيطرة التكيّفية.

إغلاق اللوبي مع أجهزة الاستشعار المتدفقة والضغطية

فالحيوانات المائية الطبيعية تمتلك نظاماً فرعياً يحس بأن هناك تغيرات في ضغط المياه وتوجه التدفق، وقد أصبح إصلاح هذه القدرة أولوية بالنسبة للتحكم الآلي الذي يلهمه الكائنات الحية، حيث تُظهر آثار أجهزة الاستشعار التي تعمل بالضغط والتي تُجسّد في أجهزة الصمام الآلي وحدها، ويمكن أن يكتشف الجلد اتجاه وسرعة التدفق القادم، وكذلك الطلقات التي تُسقط من العقبات المقبلة.

تعزيز التعلم من أجل تحقيق الاستفادة المثلى من استخدام المحركات

فالتأبين الدقيق للآليات المائية التي تُستخدم في المياه المضطربة، والتي لا تُستخدم في شكل آلي متوافق وغير خطي، هو أمر محظور حاسبياً بالنسبة للمراقبة في الوقت الحقيقي، فالتعلُّم الماكني، ولا سيما التعلُّم في مجال التعزيز، يتيح بديلاً، ويسمح للآليين ببحث أنماط مختلفة من التصاميم في المحاكاة أو في صهريج مادي، ويتعلم المراقب رسم الخرائط بين نماذج التحوُّل وقابلة مثالية.

المستقبل: التكامل، الاستقلال الذاتي، التطبيق

إن تقارب الديناميات المتطورة للسائل، والمواد اللينة، والاستخبارات الاصطناعية يدفع الآليين المزودين بالبلازمة البيولوجية إلى مرحلة جديدة من القدرة، وسيحدد الجيل القادم من هذه الآلات من خلال قدرتهم على العمل بشكل مستقل لفترات طويلة في بيئات متغيرة صعبة.

Long-Duration Environmental Monitoring

ومن أكثر التطبيقات إلحاحا الرصد البيئي في الموقع، حيث يمكن للمنحدرين من المياه الجوفية والآلات السباحة أن يختبروا المحيط دون ضوضاء أو تعطيل ناقلات النقل التقليدية، مما يتيح لهم مراقبة الحياة البحرية دون إزعاج، وانخفاض استهلاكهم من الطاقة، ونتج مباشر عن تصميم شبكات حرارية فعالة، مما يتيح للبعثات التي تستمر أسابيع أو أشهر على شحنة واحدة، ويمكن لهذه الروبوتات أن تكيف نمطها المزدهر مع التلوث السائد،

الطب المصغر للجرعات المستهدفة

وفي الطرف المقابل من طيف الحجم، فإن الأجهزة المتناهية الصغر المصممة لبث النظام الدائري تتقدم نحو التطبيق السريري، إذ تعمل بأعداد منخفضة جدا من رينولدز، يجب أن تتغلب هذه الأجهزة على القوى المتاخمة، وتعتمد استراتيجياتها للمراقبة على حقول مغناطيسية خارجية لحمل الرافعات الميكانيكية أو الحركات الجامدة التي تستمد من الراية البكتيرية، وقد أسفرت عن تقارب متقدم في النسيجات وسمها الدينامية.

التفتيش على الهياكل الأساسية وإصلاحها

إن تفتيش الهياكل الأساسية المغمورة - خطوط الأنابيب والسدود وأقفال السفن - مهمة خطيرة ومكلفة بالنسبة للبشر، ولا يمكن للآليات ذات الصبغة البيولوجية التي يمكن أن تزحف وتسبح وترش على السطح المبلل، ويمكن لهيئاتها الممتثلة أن تمسك أسطح مصفحة دون أن تدمر المعاطف، بينما تتيح كفاءتها الدينامية المتدفقة للاتحاد الأفريقي العبور بين نقاط التفتيش بسرعة.

خاتمة

وقد تطور تصميم الروبوتات المزودة بالبائن الأحيائية من خلال تطبيق صارم لمبادئ الديناميات السوائل، ومن خلال دراسة كيفية إدارة الكائنات الطبيعية للطلاب، والحد من السحب، واستغلال الهياكل المتوافقة لتخزين الطاقة وإطلاقها، قام الروبوتيون ببناء آلات أكثر هدوءا وأمنا وأكثر كفاءة من نظرائهم التقليديين، وقد أدى ترجمة هذه المبادئ البيولوجية إلى ابتكار في المواد الذكية، والارتداد، والتحكم في الآلات.