قد يكون المشي على أرجل متعددة أسهل بكثير مما كان يعتقد سابقًا

قد يكون المشي على أرجل متعددة أسهل بكثير مما كان يعتقد سابقًا

إن فيزياء المشي للحيوانات متعددة الأرجل والروبوتات أبسط مما كان يعتقد سابقًا. هذه هي النتيجة التي وصفها فريق من علماء الروبوتات والفيزيائيين وعلماء الأحياء في ورقة بحثية بعنوان "المشي يشبه الانزلاق: رؤية موحدة للحركة تعتمد على البيانات" في عدد 5 سبتمبر من مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences. "

وهذا أمر مهم لأنه سيسمح لعلماء الروبوتات ببناء نماذج أبسط بكثير لوصف كيفية سير الروبوتات وتحركها عبر العالم.

نيك جرافيش، مؤلف مشارك للمقالة، عضو هيئة التدريس، قسم الهندسة الميكانيكية وهندسة الفضاء الجوي، جامعة كاليفورنيا سان دييغو

سبق للباحثين أن درسوا مشي النمل وأرادوا أن يروا كيف يمكن تطبيق النتائج التي توصلوا إليها على الروبوتات. واكتشفوا علاقة رياضية جديدة بين المشي والقفز والانزلاق والسباحة في السوائل اللزجة للحيوانات متعددة الأرجل والروبوتات.

درس الفريق عدة مستعمرات للنمل الأرجنتيني في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو ونوعين مختلفين من الروبوتات متعددة الأرجل في جامعة ميشيغان.

وقالت جلينا كليفتون، المؤلفة المشاركة في الورقة البحثية، وعضو هيئة التدريس في جامعة بورتلاند والتي قادت معظم أبحاث النمل عندما كانت زميلة ما بعد الدكتوراه في مختبر جرافيش بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو: "من السهل جدًا دراسة النمل الأرجنتيني في المختبر".

النمل الأرجنتيني متجول جيد، قادر على السفر لمسافات طويلة عبر تضاريس مختلفة. يتكيف هذا النمل أيضًا بسهولة مع البيئات المختبرية ويعيد بناء مستعمراته بسرعة. ويمكن للباحثين بعد ذلك تحفيزهم على المشي عن طريق وضع الطعام في أماكن محددة. وقال كليفتون: "سيخلق هذا النمل مسارات للتغذية ويتبعها". "إنهم يتعافون بسرعة ولا يحملون أي ضغينة."

ولدراسة هذه الحيوانات والروبوتات المختلفة، استخدم الباحثون خوارزمية طورتها مجموعة أبحاث شاي ريفزين في جامعة ميشيغان، والتي تحول حركات الجسم المعقدة إلى أشكال. وقال جرافيش: "تسمح لنا هذه الخوارزمية بإقامة علاقة بسيطة بين وضعيتك وحركتك التالية".

ووجد الباحثون أنه يمكن تطبيق نفس الخوارزميات على كل من النمل والنوعين المختلفين من الروبوتات في الدراسة، على الرغم من أن مدى الانزلاق أثناء المشي كان مختلفًا تمامًا. كما أن النمل الأرجنتيني لا ينزلق كثيرًا عند المشي - فقط 4.7% من إجمالي الحركة. في المقابل، تتراوح نسبة الانزلاق هذه بين 12% إلى 22% للروبوت BigANT ذو الستة أرجل، و40% إلى 100% للروبوتات Multipod ذات الستة إلى 12 أرجل في الدراسة، والتي تزحف أحيانًا.

باستخدام هذا النموذج، يمكن للباحثين التنبؤ بالمكان الذي ستتحرك فيه الحشرة أو الروبوت بعد ذلك ببساطة بناءً على الوضعية - أو الشكل - الذي يتبنونه. وكتب الباحثون: "يوفر هذا نموذجًا عالميًا للموقع ينطبق عندما يهيمن الاحتكاك مع البيئة على الحركة".

الرياضيات التي استخدمها الباحثون ليست جديدة. لكن كان من المفهوم أن الرياضيات تنطبق فقط على الانزلاق والسباحة في السوائل اللزجة. وأظهر الفريق أن نفس المعادلات تنطبق على المشي متعدد الأرجل، سواء انزلق المشاة أم لا. علاوة على ذلك، تنطبق نفس القواعد على الحشرات بحجم ملليمتر مثل النمل إلى الروبوتات بحجم متر. كانت النسخة المبكرة من عنوان الورقة هي "المشي مثل الدودة".

وكتب الباحثون: "إن عالمية هذا النهج قد يكون لها تطبيقات في تصميم الروبوت وتخطيط الحركة، وتوفر نظرة ثاقبة لتطور حركة الأرجل والتحكم فيها".

يعتقد الباحثون أن هذه المبادئ العالمية يمكن أن يكون لها آثار على فهم التحولات التطورية المهمة، مثل الانتقال من السباحة إلى المشي. ولأن المشي، حتى لو كان ينطوي على الانزلاق، يتبع نفس مبادئ التحكم العامة مثل السباحة اللزجة، فربما كانت الحيوانات البرية المبكرة تمتلك بالفعل الدوائر العصبية اللازمة للتنقل على الأرض.

لم يدرس الباحثون الكائنات ذات القدمين، لكن النموذج سينطبق عليهم طالما أنهم يتحركون ببطء؛ وضع كلا القدمين على الأرض في نفس الوقت؛ ولا تسقط. (تخيل المشي على سطح القمر لمايكل جاكسون.)

لا يزال الفريق بحاجة إلى إجراء بعض الضبط الدقيق، على سبيل المثال، لفهم الدور الذي تلعبه قوى الاحتكاك في النموذج.

وقال جرافيش: "على أية حال، قد يكون المشي أسهل بكثير مما نعتقد عادة".

مصدر:

جامعة كاليفورنيا، سان دييغو

.