روبوتنا مستوحى من قناديل البحر القمرية. ويليام برادبيري / شاترستوك
توجد بعض المناطق الأخيرة من البرية البكر والتي لم يمسها أحد على الأرض تحت البحار. ومع ذلك ، تتعرض هذه النظم الإيكولوجية البحرية للتهديد من مشاريع التعدين في أعماق البحار ومنصات النفط ومزارع الرياح البحرية. عندما يتم بناء هذه المرافق وصيانتها ، فإنها تميل إلى إتلاف الشبكات البيئية الغنية المحيطة بها.
يعمل علماء الروبوتات والمهندسون على معالجة هذه المشكلة ، ويبحثون عن طرق جديدة لإنشاء آلات قد تساعد في إصلاح أو صيانة أو فحص المكونات الموجودة تحت سطح البحر للصناعة البحرية المتنامية. بقيادة الزملاء تييري بوجارد وغابرييل ويماوث من جامعة ساوثهامبتون ، قام فريقي وجدت حلا لهذه المشكلة ، تصميم روبوتات تحت الماء مستوحاة من أذكى سباحي الطبيعة: قنديل البحر القمر فائق الكفاءة.
تم تصميم الروبوتات المائية التقليدية لغرضين رئيسيين: الملاحة لمسافات طويلة عبر الامتدادات المفتوحة للمياه ، وللمهام التي تتطلب قدرة عالية على المناورة بالقرب من الهياكل المغمورة. كلا النوعين من الروبوتات فعالان ، لكن القليل من الروبوتات تجمع بين السفر الفعال والقدرة العالية على المناورة. وهذا يعني أن معظم الروبوتات المائية خرقاء للغاية وخرقاء للغاية لدعم الصناعة البحرية دون الإضرار بالبيئة تحت سطح البحر.
في الواقع ، مع توسع التطورات البحرية إلى بيئات هشة بشكل متزايد ، تكافح حتى الروبوتات البحرية الحديثة للتعامل مع تعقيد مهامها. يتم إجراء الكثير من الأبحاث حاليًا لتطوير روبوتات أعماق البحار المستقلة ، مع مبادرات مثل اكس برايز تقديم التمويل لبعض الأفكار الأكثر إثارة.
الآلات البحرية
للاستجابة لهذه التحديات ، نظر المهندسون إلى علم الأحياء لإلهام أشكال جديدة من الدفع الآلي تحت الماء. بعد ملايين السنين من التطور ، كما يقول المنطق ، يجب أن تقدم الكائنات المائية نماذج للمساعدة في معالجة نقاط الضعف في المحصول الحالي من الروبوتات تحت الماء.
أصبحت طريقة السباحة للأسماك ، القائمة على رفرفة زعانفها المختلفة ، المصدر الأساسي لإلهام هؤلاء تجربة مركبات جديدة تحت الماء. لكن وضع السباحة النفاث النفاث الذي يفضله قناديل البحر يُنظر إليه على نطاق واسع على أنه أكثر آليات الدفع تحت الماء كفاءة في العالم ، حيث يقدم حلاً تقنيًا أكثر إقناعًا يسهل على الروبوتات تقليده.
يعتمد النفث النبضي على التمدد الدوري والانكماش للتجويف المجوف لجسم العينة. يدفع هذا النظام ابتلاع الماء وطرده ، مما يوفر في النهاية لقنديل البحر شكلاً من أشكال الدفع.
على الرغم من بساطتها ، يمكن أن تؤدي استراتيجية السباحة هذه إلى رشاقة لا تصدق بالإضافة إلى كونها عالية الكفاءة في استخدام الطاقة أسرع الحبار يمكن أن يسافر حتى شنومك متر في الثانية الواحدة باستخدام نظام النبض النفاث ، بينما قنديل البحر أوريليا أوريتا (المعروف أيضًا باسم قنديل البحر القمر) السباح الأكثر كفاءة على هذا الكوكب.
من خلال نسخ هذه الكائنات عندما نبني روبوتات تحت الماء ، يمكننا تصميم مركبات جديدة تحت الماء قادرة على الجمع بين قدرة عالية على المناورة وكفاءة لا مثيل لها. في منطقتنا البحوث التي أجريت مؤخرا، لقد طورنا روبوتًا جديدًا مستوحى من الحيوية يمكنه مطابقة الكفاءة الدافعة لـ أوريليا أوريتا. للقيام بذلك ، قمنا بتقليد المبدأ الأساسي الذي يمكّن قناديل البحر من تحقيق كفاءتها العالية في الدفع: الرنين.
يعتبر Aurelia aurita أو قنديل البحر القمر أكثر السباحين كفاءة على وجه الأرض. ريتشارد ايه مكميلين / شاترستوك
الروبوتات الرنانة
الرنين هو ظاهرة جسدية شائعة في العديد من الأنشطة اليومية مثل المشي واللعب على أرجوحة و حتى الغناء. إذا شاهدنا بندولًا يتأرجح ، على سبيل المثال ، فإننا نعلم من التجربة أنه سيستمر في التذبذب حتى يستقر ، معلقًا في وضع عمودي كما تحدده الجاذبية. يشار إلى التردد الذي يتأرجح به البندول على أنه "التردد الطبيعي".
من التجربة ، نعلم أيضًا أنه إذا أردنا إبقاء البندول متذبذبًا ، فإن أسهل طريقة للقيام بذلك هي من خلال إعطائه دفعة مفيدة في كل مرة يصل فيها إلى أعلى نقطة في التذبذب ، تمامًا كما نفعل عندما ندفع الطفل إلى أعلى على أرجوحة. عندما نفعل هذا ، فإننا نسمح للبندول أو التأرجح "بصدى".
لذلك ، يحدث الرنين عندما تؤثر قوة خارجية على نظام بتردده الطبيعي ، مما يجعل النظام يحقق تذبذبات اتساع أكبر بجزء صغير من القوة المطلوبة. هذا ما يجعل التشغيل بالرنين فعالاً للغاية. طبقنا نفس المبدأ على دفع الروبوت المستوحى من قناديل البحر.
افترضنا أنه من خلال تصميم قنديل البحر الآلي بنظام دفع مرن ، يمكننا استغلال التردد الطبيعي المتأصل لتلك المرونة لدفع الآلية إلى الرنين. في حالة الرنين ، سيصدر روبوتنا نفاثات نبضية قوية بجزء بسيط من تكلفة الطاقة.
يحتوي الروبوت الذي طورناه على حجرة داخلية مرنة تتسع وتنهار تحت تأثير آلية تشبه المظلة. عند اختبار الروبوت في خزان مياه ، وجد أنه يزيد من سرعته في السباحة مع اقتراب السرعة التي ينبض بها من التردد الطبيعي للحجرة المرنة لقنديل البحر الروبوتية. لقد أثبت أن قنديل البحر الروبوت الخاص بنا قد حقق صدى.
تعتمد كفاءة النظام الذي يدفع نفسه ، سواء كان ميكانيكيًا أو بيولوجيًا ، على معادلة تجمع بين الطاقة الممتصة وسرعة النظام وكتلته. عند تطبيق هذه المعادلة على الروبوت الخاص بنا ، فإن هذه المعادلة تضع قنديل البحر الآلي على قدم المساواة مع أوريليا أوريتا قناديل البحر.
هذه نتيجة مذهلة ذات تأثير مزدوج. من ناحية ، يُظهر لأول مرة أن النظام الميكانيكي يمكنه تحقيق الكفاءة الدافعة لأفضل السباحين في الطبيعة. من ناحية أخرى ، أوضح الروبوت الخاص بنا السباحة الرائعة لنظرائه البيولوجيين - والتي قد تساعد الآن علماء الأحياء على العودة إلى دراسة قنديل البحر والحبار بمنظور جديد تمامًا.
مدعومًا بنظام مستوحى من أكثر سباحي الطبيعة كفاءة ، يوفر قنديل البحر الروبوت الخاص بنا نموذجًا أوليًا لروبوت ديناميكي وفعال تحت الماء ، والذي قد تستخدمه صناعة مزارع الرياح البحرية يومًا ما للحفاظ على أجزاء من بنيتها التحتية التي تقع تحت الأمواج.
حول المؤلف
فرانشيسكو جورجيو سيرشي ، زميل المستشار في الروبوتات والأنظمة الذاتية ، جامعة إدنبره
تم تحديث هذه المقالة في 24 فبراير 2021 لإعتماد فريق جامعة ساوثهامبتون الذي عمل أيضًا في هذا البحث.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.
كُتبٌ ذاتُ صِلَةٍ
السحب: الخطة الأكثر شمولاً على الإطلاق من أجل عكس الاحترار العالمي
بول هوكين وتوم شتاير
في مواجهة الخوف واللامبالاة على نطاق واسع ، اجتمع تحالف دولي من الباحثين والمهنيين والعلماء لتقديم مجموعة من الحلول الواقعية والجريئة لتغير المناخ. مائة تقنيات وممارسات موصوفة هنا - بعضها معروف جيدًا ؛ البعض ربما لم تسمع به من قبل. وهي تتراوح بين الطاقة النظيفة وتعليم الفتيات في البلدان المنخفضة الدخل إلى ممارسات استخدام الأراضي التي تسحب الكربون من الهواء. الحلول موجودة وقابلة للحياة اقتصاديًا ، والمجتمعات في جميع أنحاء العالم تعمل حاليًا على تفعيلها بمهارة وتصميم. متاح في أمازون
تصميم حلول المناخ: دليل السياسات للطاقة المنخفضة الكربون
هال هارفي ، روبي أورفيس ، جيفري ريسمان
مع آثار تغير المناخ علينا بالفعل ، فإن الحاجة إلى خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية ليست أقل من إلحاح. إنه تحد شاق ، لكن التقنيات والاستراتيجيات اللازمة لمواجهته موجودة اليوم. يمكن لمجموعة صغيرة من سياسات الطاقة ، المصممة والمنفذة بشكل جيد ، أن تضعنا على الطريق نحو مستقبل منخفض الكربون. أنظمة الطاقة كبيرة ومعقدة ، لذلك يجب أن تكون سياسة الطاقة مركزة وفعالة من حيث التكلفة. نهج مقاس واحد يناسب الجميع لن ينجز المهمة ببساطة. يحتاج صانعو السياسات إلى مورد واضح وشامل يحدد سياسات الطاقة التي سيكون لها أكبر تأثير على مستقبل المناخ لدينا ، ويصف كيفية تصميم هذه السياسات جيدًا. متاح في أمازون
هذا يغير كل شيء: الرأسمالية مقابل والمناخ
بواسطة نعومي كلاين
In هذا يغير كل شيء تقول ناعومي كلاين أن تغير المناخ ليس مجرد قضية أخرى يتم وضعها بدقة بين الضرائب والرعاية الصحية. إنه إنذار يدعونا إلى إصلاح نظام اقتصادي يفشلنا بالفعل بطرق عديدة. يبني كلاين بدقة على كيفية خفض انبعاثاتنا من غازات الدفيئة بشكل كبير ، وهو أفضل فرصة لنا للتخفيف من التباين الفجائي في الوقت نفسه ، وإعادة تخيل ديمقراطياتنا المحطمة ، وإعادة بناء اقتصاداتنا المحلية المدمرة. إنها تعرّض اليأس الأيديولوجي الذي ينكره من ينكرون تغير المناخ ، والأوهام المشينة التي ارتكبها المهندسون الجيولوجيون المحتملين ، والانهزامية المأساوية في الكثير من المبادرات الخضراء السائدة. وهي تدلل على وجه التحديد على السبب الذي يجعل السوق لا تستطيع - ولا يمكنها - إصلاح أزمة المناخ ، ولكنها ستجعل الأمور أسوأ ، مع أساليب استخراج مدمرة للغاية ومدمرة من الناحية البيئية ، مصحوبة برأسمالية كوارث متفشية. متاح في أمازون
من الناشر:
عمليات الشراء على موقع أمازون تذهب لتحمل تكلفة جلبك InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, و ClimateImpactNews.com دون أي تكلفة ودون المعلنين الذين يتتبعون عادات التصفح الخاصة بك. حتى إذا قمت بالنقر فوق رابط ولكنك لا تشتري هذه المنتجات المحددة ، فإن أي شيء آخر تشتريه في هذه الزيارة نفسها على Amazon يدفع لنا عمولة صغيرة. لا توجد تكلفة إضافية عليك ، لذا يرجى المساهمة في هذا الجهد. بامكانك ايضا استخدام هذا الرابط لاستخدامه في Amazon في أي وقت حتى تتمكن من المساعدة في دعم جهودنا.
