ابداع مفصل‌های رباتیک الهام‌گرفته از زانو انسان توسط محققان هاروارد

تکنولوژی نوین: مفصل‌های تماس غلتشی

این رویکرد پیشرفته بر پایه مفصل‌های تماس غلتشی استوار است؛ سیستمی متشکل از جفتی از سطوح منحنی که با ظرافت روی یکدیگر می‌غلتند و می‌لغزند. این سطوح از طریق اتصالات انعطاف‌پذیر به هم متصل شده‌اند و عملکردی مشابه استخوان‌ها و غضروف‌های اندام‌های انسانی را شبیه‌سازی می‌کنند.

روش جدید طراحی، شکل هر جزء مفصل را بر اساس نیروها و وظایف مورد نیاز بهینه می‌کند. این بهینه‌سازی باعث می‌شود که خود مفصل، انرژی را به شکلی بسیار کارآمد هدایت کند و در نتیجه، نیاز به محرک‌های بزرگ و سیستم‌های کنترل پیچیده به حداقل برسد.

کولتر دکر، دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی و علوم کاربردی (SEAS) و نویسنده اول مقاله توضیح داد: «هر زمان که رباتی داشته باشید و بدانید چه کاری باید انجام دهد، مثلا یک ربات راه‌رونده، می‌توانید بهترین نقاط برای اعمال نیرو را شناسایی کنید. اگر بتوانیم این تصمیمات را مستقیماً در مکانیک ربات تعبیه کنیم، ربات‌ها کارآمدتر خواهند بود و می‌توانند از محرک‌های کوچکتر استفاده کنند، زیرا انرژی دقیقاً به جایی که نیاز است هدایت می‌شود.»

رابرت جی وود، نویسنده ارشد مقاله نیز افزود: «هدف ما این است که تا حد ممکن کنترل حرکتی را به مکانیک و مواد ربات واگذار کنیم تا سیستم کنترل بتواند روی اهداف سطح وظیفه تمرکز کند. روش‌های کولتر دقیقاً این کار را انجام می‌دهند و هم از نظر ریاضی و هم مکانیکی بسیار شیک هستند.»

الهام از طبیعت و نتایج چشمگیر

ایده اصلی این تحقیق از تلاش برای بهبود گیره‌های رباتیک نرم نشأت گرفت؛ گیره‌هایی که باید همزمان توانایی گرفتن ظریف اشیا و اعمال نیروی زیاد را داشته باشند. تیم تحقیقاتی با ترکیب اتصالات سخت و مفصل‌های انعطاف‌پذیر، مفصل‌های تماس غلتشی را به عنوان راهی برای تقلید از عملکرد بیولوژیکی بدن انسان مورد بررسی قرار داد.

عملکرد بهبود یافته: آمار و ارقام

• مفصل شبیه زانو که با این روش بهینه شده، ۹۹ درصد خطای ناهمراستایی را نسبت به مفصل استاندارد کاهش می‌دهد.
• یک گیره دو انگشتی رباتیک طراحی‌شده به همین روش، می‌تواند سه برابر وزن بیشتری را نسبت به گیره‌های معمولی با همان ورودی محرک نگه دارد.

برخلاف مفصل‌های تماس غلتشی سنتی که از سطوح دایره‌ای ساده استفاده می‌کنند، روش تیم هاروارد قادر به طراحی شکل‌های نامنظم است که مسیرهای مشخصی را دنبال کرده و نسبت‌های نیرو را در طول آن مسیرها ارائه می‌دهند.

دکر توضیح داد: «ما ریاضیات زیادی انجام دادیم تا مشخص کنیم اگر مسیر و نسبت انتقال نیروی خاصی را برای مفصل بخواهیم، آیا می‌توانیم سطوح و قرقره‌هایی پیدا کنیم که این خواص را داشته باشند؟ سپس می‌توانیم این فرایند طراحی را برای بهینه‌سازی مفصل‌ها برای وظایفی مانند راه رفتن، پریدن یا گرفتن اشیاء اعمال کنیم.»

کاربردهای گسترده و آینده رباتیک

مفصل‌های تماس غلتشی بهینه‌شده می‌توانند در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند، از جمله:

• دستگاه‌های کمکی
• اسکلت‌های بیرونی
• ربات‌های انسان‌نما
• مطالعات بیومکانیکی حیوانات

این طراحی امکان می‌دهد مفصل‌ها برای حرکات خاص بهینه شوند و کارایی و عملکرد را به حداکثر برسانند. این رویکرد گامی مهم به سوی ساخت ربات‌ها و دستگاه‌هایی است که حرکت طبیعی‌تر دارند و مشکلات پیچیده حرکتی را با مکانیک حل می‌کنند، نه تنها با نرم‌افزار. این مطالعه در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.