دم شبیه گربه می‌تواند ربات‌های فضایی را همچون ابرقهرمان‌ها واژگون، پیچ و تاب دهد و حرکت دهد
پژوهشگران از دانشگاه میشیگان و دانشگاه کالیفرنیا، سان دیگو (UCSD) مطالعه‌ای بر چگونگی تغییر وضعیت در میانه هوا در ربات‌ها با کمک دم‌ها انجام دادند و دریافتند که پستانداران قبلاً این حرکت را به طور موثر بهینه کرده‌اند.
شبیه‌سازی‌های آن‌ها برای راهنمایی طراحی ربات‌هایی با دم‌های سبک‌تر و کارآمدتر در حالی که فیزیک استفاده از این دم‌ها برای مانور در جانوران را آشکار می‌کند، طراحی شده است.
آن‌ها دو نوع دم‌های مهره‌داران را شناسایی کردند: دم‌های سنگین و عضله‌ای مارمولک‌ها، که امکان چرخش در یک صفحه را فراهم می‌کند و الهام‌بخش ساخت ربات‌های دم‌سخت شده‌اند، و دم‌های سبک‌تر و متکی بر تاندون پستانداران.
به گفته پژوهشگران، بر خلاف فرض اولیه، دم‌های پستاندار به‌صورت منحنی‌های پیچیده سه‌بعدی شکل می‌گیرند که اجازه چرخش موثر بدن را می‌دهند و بینش‌هایی هم در زمینه بیومکانیک و هم در طراحی رباتیک فراهم می‌آورند.
بهینه‌سازی مکانیک دم
دم‌های سفت و شبیه مارمولک ساده هستند، اما دم‌های سبک‌تر سبک پستاندار ممکن است برای فضا بهتر باشند. پژوهشگران مطالعه کردند که چگونه دم‌ها مانورپذیری در میانه هوا را در جانوران و ربات‌ها بهبود می‌بخشند، با تمرکز بر پیوست‌های اینرسی که چرخش بدن را ذخیره می‌کنند.
با الهام از مارمولک‌ها و گکوها، روباتیکسی‌ها دم‌های سخت و یک‌طرفه طراحی کرده‌اند تا ثبات و کنترل در ربات‌های هوایی و زمینی را افزایش دهند. برخی از دم‌های رباتیکی که به فرود، تغییر جهت پرواز و چرخش‌های با سرعت بالا کمک می‌کنند. با این حال، دم‌های مهره‌داران (مانند گربه‌ها و سنجاب‌ها) پیچیده‌تر هستند و از چندین مهره تشکیل شده‌اند که امکان حرکات متنوعی را می‌دهد.
با تحلیل دم‌های پستانداران ، پژوهشگران دریافتند که افزایش بخش‌های استخوانی در طول یکسان، توانایی واکنش چرخشی را بهبود می‌بخشد. برای ارزیابی کارایی دم، آن‌ها شبیه‌سازی‌هایی را با بهینه‌سازی مسیر دم برای چرخش‌های دقیق بدنی توسعه دادند. برخلاف مدل‌های پیشین که بر ساختارهای سفت متکی بودند، روش آن‌ها قابلیت انعطاف‌پذیری و محدودیت‌های کنترلی واقعی را مد نظر قرار می‌دهد.
برای ارزیابی‌های منصفانه، آن‌ها محدودیت‌های کنترلی را برای مورفولوژی‌های دم مختلف استانداردسازی کردند و تفاوت‌های واقعی طراحی را از تفاوت‌های توانایی کنترل جدا کردند. یافته‌های آن‌ها بهبود فهم از حرکت زیستی را می‌دهد و طرح‌های دم رباتیک قابل تطبیق‌تری برای حرکت پویا فراهم می‌کند.
“ما نمی‌دانستیم که نتایج چگونه خواهند بود زمانی که اثرات تنظیم‌گذاری‌های دم مختلف را بررسی می‌کردیم، به خصوص وقتی که اجازه به تغییر طول استخوان‌های فردی به عنوان بخشی از فرآیند بهینه‌سازی می‌دادیم،” گفت شون فو، نویسنده اول مطالعه و اکنون فارغ‌التحصیل دکتری در رشته رباتیک، در بیانیه‌ای.
طراحی مبتنی بر بیومکانیک
پژوهشگران رویکرد مبتنی بر بهینه‌سازی برای ارزیابی کارایی پیوست‌های اینرسی تحت محدودیت‌های یکنواخت را معرفی کردند. این روش بهترین مسیر دم را برای کاهش انحراف از چرخش‌های بدنی هدف مشخص می‌کند.
یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که افزایش لینک‌های مستقلاً عمل‌کننده با اندازه، جرم و طول مساوی، توانایی مانوروپذیری اینرسی را بهبود می‌بخشد. با تجزیه و تحلیل مورفولوژی دم پستانداران، آن‌ها کشف کردند که تغییرات منطقه‌ای در طول مهره حرکت کارآمدی را بهبود می‌بخشد.
مدل‌های بهینه‌سازی شده لینک‌های کوتاه‌تر در انتهای پروگزیمال و دیستال و با بخش‌های طولانی‌تر در منطقه میانی را ترجیح دادند—که با الگوهای موجود در پستانداران که به مانور اینرسی متخصص هستند، مطابقت دارد. شبیه‌سازی عمومی آن‌ها توانایی‌های اینرسی را از داده‌های اسکلتی تخمین می‌زند، مورفولوژی‌های دم متنوع را مقایسه می‌کند و به طراحی دم رباتیک کمک می‌کند.
برای جدا کردن اثرات مورفولوژی مفصل، مدل آن‌ها پاها و نیروهای محیطی را مستثنی کرد و تنها به حفظ حرکت زاویه‌ای متکی بود. با شبیه‌سازی چرخش تنه که با عمل دم هدایت می‌شود، آن‌ها پیکربندی‌های دم را برای کنترل دقیق بدن بهینه‌سازی کردند و بینش‌هایی در مورد حرکت بیولوژیکی و کاربردهای رباتیکی ارائه دادند.
“اسکلت‌های دم پستانداران بسیار متفاوت از یکدیگر هستند و اکنون می‌توانیم بگوییم که این نوع خاص از دم برای کمک به مانورپذیری اینرسی تکامل یافته است. منتظر هستیم ببینیم دیگر انواع دم‌ها چگونه حرکت می‌کنند,” گفت سری وبر، پژوهشگر بعد از دکتری که با کیمبرلی کوپر، استاد زیست‌شناسی سلولی و توسعه‌ای UCSD کار می‌کند، در بیانیه‌ای.
تیم نشان می‌دهد که شبیه‌سازی‌های آن‌ها می‌تواند برای ارزیابی نحوه حرکت بازوها، پاها یا بال‌ها در الگوهای پیچیده سه‌بعدی برای کنترل در میانه هوا، تعادل و چالاکی گسترش یابد. این یافته‌ها می‌تواند بهبود درک بیومکانیک انسان و حیوان را به دست آورد در حالی که به توسعه طراحی‌های رباتیک پیشرفته‌تر کمک می‌کند.
جزئیات پژوهش تیم در نشریه رابط جامعه سلطنتی منتشر شد.
