رباتیک زیست‌الگو

**حرکت رباتیک زیست‌الگو** () زیرشاخه‌ای از طراحی زیست‌الگو است. این حوزه دربارهٔ یادگیری مفاهیم از طبیعت و به‌کاربردن آن‌ها در طراحی سامانه‌های مهندسی واقعی است. به‌طور خاص، این حوزه بر ساخت ربات‌هایی تمرکز دارد که از سامانه‌های زیست‌شناسی، از جمله زیست‌تقلید، الهام می‌گیرند. زیست‌تقلید به معنای کپی‌برداری مستقیم از طبیعت است، در حالی که طراحی زیست‌الگو به معنای یادگیری از طبیعت و ساخت سازوکاری ساده‌تر و کارآمدتر از سامانه مشاهده‌شده در طبیعت است. زیست‌تقلید به پیدایش شاخه‌ای دیگر از رباتیک به نام رباتیک نرم منجر شده است. سامانه‌های زیستی برای وظایف خاص در زیستگاه‌های خود بهینه شده‌اند، اما چندکاره‌اند و تنها برای یک کار ویژه طراحی نشده‌اند. رباتیک زیست‌الگو دربارهٔ مطالعه سامانه‌های زیستی و یافتن سازوکارهایی است که بتوانند در مهندسی راه‌حل ارائه دهند. طراح باید بکوشد این سازوکارها را برای کار مورد نظر ساده و بهینه کند. رباتیک زیست‌الگو معمولاً بر حسگرهای زیستی (مانند چشم)، محرک‌های زیستی (مانند ماهیچه) یا زیست‌مواد (مانند ابریشم عنکبوت) تمرکز دارد. بیشتر ربات‌ها دارای نوعی سامانه حرکتی‌اند؛ بنابراین، در این مقاله گونه‌های مختلف جنبش جانوری و چند نمونه از ربات‌های زیست‌الگو معرفی می‌شوند.

## زیست‌جنبش
زیست‌جنبش یا جنبش جانوری معمولاً به گونه‌های زیر دسته‌بندی می‌شود:

### حرکت بر سطح
حرکت بر سطح می‌تواند شامل زمین‌پیمایش و درخت‌پیمایی باشد. در بخش بعدی به‌طور ویژه دربارهٔ زمین‌پیمایش بحث خواهد شد.

### حرکت در سیال
حرکت در جریان خون یا محیط کشت یاخته‌ای، نارسایی قلب و جانوران پرنده و بالبازرو. ربات‌های بسیاری برای آب‌پیمایی و جانوران پرنده و بالبازرو طراحی و ساخته شده‌اند. برخی از آن‌ها از موتورهای کوچک یا محرک‌های مرسوم MEMS (مانند پیزوالکتریک، گرمایی، مغناطیسی و غیره) بهره می‌گیرند، در حالی که برخی دیگر از یاخته‌های ماهیچه‌ای جانوران به‌عنوان موتور استفاده می‌کنند.

## رده‌بندی رفتاری (زمین‌پیمایی)
بسیاری از جانوران و حشرات روی خشکی با پا یا بدون پا حرکت می‌کنند. در این بخش حرکت‌های پادار و بی‌پا، همچنین بالا رفتن و جهش بررسی می‌شوند. لنگر انداختن پاها برای حرکت در خشکی بنیادی است. توان افزایش اصطکاک برای حرکت بدون لغزش روی سطوحی مانند صخره‌های صاف و یخ اهمیت دارد و به‌ویژه برای حرکت در سربالایی حیاتی است. سازوکارهای زیستی فراوانی برای این منظور وجود دارد: پنجه‌ها بر پایه اصطکاک عمل می‌کنند؛ پای مارمولک‌ها بر نیروهای واندروالسی متکی است؛ و پای برخی حشرات از نیروهای چسبندگی ناشی از مایع بهره می‌برد.

### حرکت پادار
ربات‌های پادار ممکن است یک‌پا، دوپا، چهارپا، شش‌پا یا چندپا باشند، بسته به کاربرد. یکی از مزایای اصلی استفاده از پا به‌جای چرخ، توانایی حرکت کارآمدتر بر زمین‌های ناهموار است. دوپایان، چهارپایی و حرکت شش‌پا از محبوب‌ترین گونه‌های حرکت پادار در حوزه رباتیک زیست‌الگو هستند. Rhex، یک ربات شش‌پای مطمئن و «چیتا» تاکنون دو ربات سریع در دویدن هستند.  یک ربات شش‌پای دیگر است که از حرکت سوسری‌سانان الگو گرفته و در دانشگاه استنفورد توسعه یافته است. این ربات می‌تواند تا ۱۵ برابر طول بدن خود در ثانیه بدود و به سرعتی تا ۲٫۳ متر بر ثانیه برسد. نسخه اولیه این ربات با نیروی پنوماتیک حرکت می‌کرد، در حالی که نسل جدید از یک موتور برقی منفرد برای حرکت بهره می‌برد.

### حرکت بی‌پا
زمین‌هایی با ناهمواری در گستره‌ای از مقیاس‌ها برای بسیاری از جانداران و ربات‌های زیست‌تقلیدی چالش‌برانگیز است. چنین زمین‌هایی به‌راحتی توسط جانداران بی‌پا مانند مارها پیموده می‌شوند. چندین جانور و حشره از جمله کرم‌ها، حلزون‌ها، کرم‌های پیله‌سازپیله‌ساز و مار‌ها توانایی حرکت بی‌پا دارند. مروری بر ربات‌های مارمانند توسط هیروسه و همکاران ارائه شده است. این ربات‌ها را می‌توان در دسته‌هایی چون ربات‌های دارای چرخ غیرفعال یا فعال، ربات‌های دارای زنجیر فعال و ربات‌های موجی با استفاده از موج‌های عمودی یا انبساط‌های خطی جای داد. بیشتر ربات‌های مارمانند از چرخ‌ها استفاده می‌کنند، به‌گونه‌ای که اصطکاک جانبی بالا و اصطکاک رو به جلو پایین است (و می‌توان از عقب‌گرد جلوگیری کرد). بیشتر ربات‌های مارمانند از موج‌پیمایی یا راست‌رو بهره می‌برند و در بالا رفتن عمودی مشکل دارند. چوزت اخیراً یک ربات پیمانه‌ای ساخته است که می‌تواند چندین شیوه حرکت مار را تقلید کند، اما قادر به انجام حرکت آکاردئونی نیست. پژوهشگران مؤسسه فناوری جورجیا به‌تازگی دو ربات مارمانند به نام «اسکالی‌بات» ساخته‌اند. تمرکز این ربات‌ها بر نقش فلس‌های شکمی مار در تنظیم ویژگی‌های اصطکاکی در جهت‌های مختلف است. این ربات‌ها می‌توانند فلس‌های خود را فعالانه کنترل کنند تا ویژگی‌های اصطکاکی را تغییر دهند و روی سطوح گوناگون به‌طور کارآمد حرکت کنند. پژوهشگران دانشگاه کارنگی ملون نیز ربات‌های مارمانند با فلس و محرک‌های مرسوم ساخته‌اند.

### بالا رفتن
بالا رفتن وظیفه‌ای بسیار دشوار است زیرا خطاهای انجام‌شده توسط بالا رونده می‌تواند باعث از دست دادن چنگ و سقوط شود. بیشتر ربات‌ها حول یک کارکرد منفرد که در همتای زیستی آن‌ها دیده می‌شود ساخته شده‌اند. ربات‌های مارمولکی (Geckobots) معمولاً از نیروهای واندروالس استفاده می‌کنند که تنها روی سطوح صاف کار می‌کند. با الگوگیری از مارمولک‌ها، دانشمندان دانشگاه استنفورد ویژگی چسبندگی پای مارمولک را به‌طور مصنوعی بازآفرینی کرده‌اند. مشابه ستا در پای مارمولک، میلیون‌ها ریزالیاف روی یک فنر قرار داده شد. نوک ریزالیاف در شرایط معمول تیز است، اما هنگام تحریک، حرکت فنر تنشی ایجاد می‌کند که این ریزالیاف را خم کرده و سطح تماس آن‌ها با سطح شیشه یا دیوار را افزایش می‌دهد. با همین فناوری، گیره‌های مارمولکی توسط دانشمندان ناسا برای کاربردهای فضایی ساخته شدند. Stickybots از چسبنده‌های خشک جهت‌دار استفاده می‌کنند که روی سطوح صاف بهترین عملکرد را دارند. ربات‌های Spinybot و RiSE از جمله ربات‌های حشره‌مانند هستند که به‌جای آن از خارها استفاده می‌کنند. رباتیک پادار چندین محدودیت دارد. این ربات‌ها نمی‌توانند با موانع بزرگ کنار بیایند زیرا انعطاف‌پذیر نیستند و برای حرکت به فضای زیادی نیاز دارند. معمولاً نمی‌توانند هم روی سطوح صاف و هم ناهموار بالا بروند یا با گذار از عمودی به افقی سازگار شوند.

### جهش
یکی از کارهایی که به‌طور معمول توسط گونه‌های گوناگون جانداران انجام می‌شود جهیدن است. گوسفند آبی هیمالیا، خرگوش‌ها، کانگورو، ملخ، کک و ملخ آفت از بهترین جانداران جهنده‌اند. یک ربات جهنده کوچک ۷ گرمی که از ملخ آفت الگو گرفته در مؤسسه EPFL ساخته شده است و می‌تواند تا ۱۳۸ سانتی‌متر بپرد. پرش در این ربات با آزاد شدن تنش یک فنر ایجاد می‌شود. بلندترین ربات جهنده کوچک از ملخ الگو گرفته، ۲۳ گرم وزن دارد و می‌تواند تا ۳۶۵ سانتی‌متر بپرد. این ربات «TAUB» (ساخته دانشگاه تل‌آویو و کالج مهندسی براوده) نام دارد. این ربات از فنرهای پیچشی برای ذخیره انرژی استفاده می‌کند و شامل سازوکار سیم و قفل برای فشردن و آزادسازی فنرها است. مؤسسه ETH زوریخ یک ربات نرم جهنده را گزارش کرده است که بر اساس احتراق متان و نیتروز اکسید کار می‌کند. انبساط گازهای داغ درون محفظه نرم احتراق به‌شدت حجم محفظه را افزایش می‌دهد. این باعث می‌شود ربات ۲ کیلوگرمی تا ۲۰ سانتی‌متر بپرد. این ربات نرم که از roly-poly toy الگو گرفته است پس از فرود خود را دوباره در وضعیت ایستاده قرار می‌دهد.

## رده‌بندی رفتاری (آب‌پیمایی)
### شنا (ماهی‌وار)
برآورد شده است که هنگام شنا، برخی ماهی‌ها می‌توانند به بازده پیشرانش دریایی بیش از ۹۰٪ دست یابند. افزون بر این، آن‌ها می‌توانند بسیار بهتر از هر قایق یا زیردریایی ساخته دست بشر شتاب بگیرند و مانور دهند و نویز و آشفتگی کمتری در آب ایجاد کنند؛ بنابراین، بسیاری از پژوهشگران ربات‌های زیرآبی علاقه‌مندند این گونه حرکت را کپی کنند. نمونه‌های شاخص عبارت‌اند از ماهی رباتیک G9 دانشگاه اسکس و «ماهی تُن رباتیک» ساخته «مؤسسه رباتیک میدانی» برای تحلیل و مدل‌سازی ریاضی جنبش ماهی. «پنگوئن آبی» که توسط شرکت فستو آلمان طراحی و ساخته شد، شکل هیدرودینامیک و پیش‌رانش با باله‌های جلویی [پنگوئن]‌ها را تقلید می‌کند. فستو همچنین «پرستوماهی آبی» و «عروس دریایی آبی» را ساخته است که به‌ترتیب از حرکت سفره‌ماهی و عروس دریایی تقلید می‌کنند.


در سال ۲۰۱۴، ''iSplash''-II توسط دانشجوی دکتری «ریچارد جیمز کلافام» و استاد «هووشنگ هو» در دانشگاه اسکس ساخته شد. این نخستین ماهی رباتیک بود که توانست از نظر بیشینه سرعت متوسط (برحسب طول بدن در ثانیه) و استقامت ــ یعنی مدتی که سرعت بالا حفظ می‌شود ــ از ماهیان واقعی [گیش‌ماهی‌سانان پیشی گیرد. این سازه به سرعت شناگری ۱۱٫۶ طول بدن بر ثانیه (یعنی ۳٫۷ متر بر ثانیه) دست یافت. نخستین نمونه، *iSplash*-I (۲۰۱۴)، اولین سکوی رباتیک بود که حرکت کامل بدن جنبش ماهی را به‌کار برد و نشان داد که این شیوه می‌تواند سرعت شنا را ۲۷٪ نسبت به روش سنتی موج محدود به بخش عقبی بدن افزایش دهد.

## رده‌بندی ریخت‌شناختی
### پیمانه‌ای

ربات‌های پیمانه‌ای معمولاً قادر به انجام چندین کار هستند و به‌ویژه در مأموریت‌های جست‌وجو و نجات یا مأموریت‌های اکتشافی سودمندند. برخی از ربات‌های شاخص در این دسته شامل یک ربات سمندرمانند ساخته‌شده در EPFL است که می‌تواند راه برود و شنا کند، یک ربات مارمانند ساخته‌شده در دانشگاه کارنگی ملون که چهار گونه متفاوت از حرکت زمینی دارد، و یک ربات سوسری‌مانند که می‌تواند روی زمین‌های پیچیده گوناگون بدود و بالا رود.

### انسان‌نما
ربات‌های انسان‌نما ربات‌هایی هستند که شبیه انسان به‌نظر می‌رسند یا از شکل انسان الگوبرداری شده‌اند. انواع گوناگونی از ربات‌های انسان‌نما وجود دارد که برای کاربردهایی چون کمک شخصی، پذیرش، کار در صنایع یا همراهی به‌کار می‌روند. این گونه ربات‌ها همچنین برای مقاصد پژوهشی استفاده می‌شوند و در آغاز برای ساخت ارتوز و پروتزهای بهتر برای انسان طراحی شده بودند. «پت‌من» یکی از نخستین و پیشرفته‌ترین ربات‌های انسان‌نماست که در بوستون داینامیکس ساخته شد. برخی از ربات‌های انسان‌نما مانند «هوندا آسیمو» دارای محرک‌های بیش از اندازه هستند. از سوی دیگر، ربات‌های انسان‌نمایی مانند نمونه ساخته‌شده در دانشگاه کرنل وجود دارند که هیچ محرکی ندارند و به‌طور غیرفعال با پایین آمدن از سراشیبی ملایم راه می‌روند.

### گروهی
رفتار گروهی چندین سال است که مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. مورچه‌ها می‌توانند برای بقا روی رودخانه‌ها سازه‌هایی مانند کلک بسازند. ماهی‌ها در گروه‌های بزرگ می‌توانند محیط پیرامون خود را کارآمدتر حس کنند. رباتیک گروهی شاخه‌ای نسبتاً نو است و هدف آن ساخت ربات‌هایی است که بتوانند با هم کار کنند، داده‌ها را انتقال دهند، به‌صورت گروهی سازه‌هایی ایجاد کنند و غیره.

### نرم
رباتیک نرم ربات‌هایی هستند که به‌طور کامل از مواد نرم ساخته شده‌اند و با فشار پنوماتیک حرکت می‌کنند، مشابه یک هشت‌پا یا ستاره دریایی. این ربات‌ها به اندازه‌ای انعطاف‌پذیرند که می‌توانند در فضاهای بسیار محدود (مانند درون بدن انسان) حرکت کنند. نخستین ربات‌های نرم چندحرکشی در سال ۲۰۱۱ ساخته شدند و نخستین ربات نرم کاملاً یکپارچه و مستقل (با باتری‌ها و سامانه‌های کنترلی نرم) در سال ۲۰۱۵ ساخته شد.

## جستارهای وابسته
* جنبش جانوری
* زیست‌تقلید
* رباتیک زیستی
* بیومکاترونیک
* بیونیک
* مواد رباتیک
* فهرست انواع ربات‌ها

## پیوند به بیرون
*