رباتهای پرنده در خدمت علم
ترجمه: فاطمه آقاجاني
همه آن چیزی که درباره تکامل پرواز میدانیم، این است که حدود 150 میلیون سال قبل، جنگلها مملو از دایناسورهای پرندهای مثل «آرکئوپتریکس» (یا شاید هم دایناسورهای که روی هوا سُر میخوردند) بود که به اجداد پرندگان امروزی شباهت بسیاری دارد؛ اما آنچه نمیدانیم، این است که اجداد پرندگان پیش از آنکه بتوانند پرواز کنند، از بالهای ابتدایی خود چه استفادهای میکردند؟ در تحقیقی که در شماره اخیر «Bioinspiration & Biomimetics» چاپ شده است، میتوان به اطلاعات جالبتوجهی در این زمینه دست پیدا کرد. این اطلاعات از بررسیهای انجامشده روی فسیلها حاصل نشده است؛ بلکه از تحقیقاتی که روی رباتهای پرنده انجام شده، به دست آمده است.
درباره چگونگی تکامل پرواز اولیه، دو نظریه اصلی وجود دارد. براساس نظریه «سقوط از درخت»، جانداران از بالهای ابتدایی خود برای سُرخوردن از ارتفاعات استفاده میکردند. نظریه «بلندشدن از زمین» نیز بیان میکند که اجداد پرندگان از بالهایشان برای دویدن سریع روی زمین و در ادامه بلندشدن از سطح زمین استفاده میکردند؛ اما مسئله اصلی درباره نظریه «بلندشدن از زمین» این است که رسیدن به سرعت زیاد، نیازمند بلندشدن از زمین است. مقایسههای انجامشده بیانگر آن است که پیشرفتهای تدریجی صورتگرفته در شیوه «سُرخوردن» ممکن است به پرواز منجر شده باشد. گفتنی است شواهد فسیلی نتوانسته است به حل این موضوع چندان کمک کند.
«رونالد فیرینگ» و «کوین پترسون»، مهندسان دانشگاه برکلی کالیفرنیا درباره تکامل پرواز، هیچ پیشزمینه و فکری نداشتند تا اینکه ربات 25گرمی خود را ساختند. این ربات که DASH+Wings یا Dynamic Autonomous Sprawled Hexapod نام دارد، یک ربات ششپای کوچک و در واقع یکی از انواع رباتهایی است که ارتش آمریکا برای انجام کارهای تجسسی ساخته است. «فیرینگ» میگوید: «رباتهای کوچک زمینرو اغلب برای بالارفتن از ارتفاعات و پریدن روی اشیا با مشکلات عدیدهای مواجه هستند؛ بههمیندلیل ما توجه خود را روی سیستم حرکتی هیبریدی متمرکز کرده و برای بهترشدن حرکت تصمیم گرفتیم که بالهای تکانخورنده و پاها را با هم ترکیب کنیم»؛ اما هنگامی که آنها بالها را به ربات DASH اضافه کردند، متوجه شدند که این ابزار میتواند در پاسخ به پرسش تکاملی منشأ پرواز مفید باشد. بههمیندلیل گروه تصمیم گرفت که در این زمینه با «رابرت دادلی»، دیرینهزیستشناس دانشگاه برکلی، تماس بگیرند و از او بخواهند که به گروه ملحق شود. گروه برای بررسی ربات و پاسخ دادن به سؤالات خود، مسابقات مینیالمپیکی را برای DASH+Wings ترتیب دادند. ربات روی زمین با سرعت زیادی حرکت
میکرد. از روی تپهها با سرعت خارقالعادهای بالا میرفت و هنگامیکه در ارتفاعات قرار میگرفت، برای اینکه از مبدأ پرش، حداکثر فاصله را بگیرد، از شیوه سُرخوردن کمک میگرفت. در همه این حالتها، گروه عملکرد ربات را در دو حالت «ربات بدون بال» و «ربات با بال متحرک» و «ربات با بال ساکن» مقایسه و همه اندازهگیریها با استفاده از شتابسنج و دوربین اندازهگیری شد.
«پترسون» درباره آزمایشهای انجامشده و نتایج آن میگوید: «داشتن یک جفت بال متحرک در هر آزمایش، به ربات بسیار کمک میکرد، بهویژه در سُرخوردن از ارتفاعات. بالهای متحرک به ربات امکان میداد بهآسانی از تپهها بالا برود و هنگام دویدن روی زمین باعث افزایش سرعت ربات میشد؛ اما تنها تا 90 درصد و این رقم از 400 درصد لازم برای پرواز، فاصله زیادی دارد. در آزمایش سُرخوردن از ارتفاعات، بالهای متحرک به ربات امکان میداد که بتواند از مبدأ پرواز فاصله بگیرد. درواقع این بالها همانند یک بادبان به ربات کمک میکردند تا حداکثر فاصله را از مبدأ پرواز خود بگیرد و این حالت در مقایسه با زمانی که ربات به بالهای ثابت مجهز شده بود، بسیار بیشتر به چشم میآمد. این نتایج به طور غیرمستقیم از این نظریه پشتیبانی میکند که پرواز در جانوران سقوطکننده از درخت تکامل یافته است، نه از جانوران زمینزی که باید با سرعت زیاد روی زمین میدویدند و سپس از سطح زمین بلند میشدند».
«برندون جکسون» زیستشناس تکاملی دانشگاه مونتانا، در میسوئولا میگوید: «این تحقیق، مثال زیبایی است از اینکه چگونه رباتهای نسبتا سادهای که با الهام از موجودات زنده ساخته شدهاند، میتوانند در انجام آزمایشهایی که بسیار مشکل هستند یا امکان تست آنها در موجودات زنده وجود ندارد، به دانشمندان کمک کنند». او در ادامه میافزاید: «نتایج بهدستآمده در این آزمایش از نظریه سُرخوردن در هوا پشتیبانی میکند؛ اما این احتمال را که ممکن است اجداد پرندگان آنقدر با سرعت زیاد دویده باشند که در نهایت از سطح زمین بلند شده باشند، رد نمیکند». در واقع میتوان گفت که درحالحاضر نمیتوان به پاسخ مستدل و قانعکنندهای برای منشأ پرواز پرندگان دست پیدا کرد.
www.sciencemag.org
همه آن چیزی که درباره تکامل پرواز میدانیم، این است که حدود 150 میلیون سال قبل، جنگلها مملو از دایناسورهای پرندهای مثل «آرکئوپتریکس» (یا شاید هم دایناسورهای که روی هوا سُر میخوردند) بود که به اجداد پرندگان امروزی شباهت بسیاری دارد؛ اما آنچه نمیدانیم، این است که اجداد پرندگان پیش از آنکه بتوانند پرواز کنند، از بالهای ابتدایی خود چه استفادهای میکردند؟ در تحقیقی که در شماره اخیر «Bioinspiration & Biomimetics» چاپ شده است، میتوان به اطلاعات جالبتوجهی در این زمینه دست پیدا کرد. این اطلاعات از بررسیهای انجامشده روی فسیلها حاصل نشده است؛ بلکه از تحقیقاتی که روی رباتهای پرنده انجام شده، به دست آمده است.
درباره چگونگی تکامل پرواز اولیه، دو نظریه اصلی وجود دارد. براساس نظریه «سقوط از درخت»، جانداران از بالهای ابتدایی خود برای سُرخوردن از ارتفاعات استفاده میکردند. نظریه «بلندشدن از زمین» نیز بیان میکند که اجداد پرندگان از بالهایشان برای دویدن سریع روی زمین و در ادامه بلندشدن از سطح زمین استفاده میکردند؛ اما مسئله اصلی درباره نظریه «بلندشدن از زمین» این است که رسیدن به سرعت زیاد، نیازمند بلندشدن از زمین است. مقایسههای انجامشده بیانگر آن است که پیشرفتهای تدریجی صورتگرفته در شیوه «سُرخوردن» ممکن است به پرواز منجر شده باشد. گفتنی است شواهد فسیلی نتوانسته است به حل این موضوع چندان کمک کند.
«رونالد فیرینگ» و «کوین پترسون»، مهندسان دانشگاه برکلی کالیفرنیا درباره تکامل پرواز، هیچ پیشزمینه و فکری نداشتند تا اینکه ربات 25گرمی خود را ساختند. این ربات که DASH+Wings یا Dynamic Autonomous Sprawled Hexapod نام دارد، یک ربات ششپای کوچک و در واقع یکی از انواع رباتهایی است که ارتش آمریکا برای انجام کارهای تجسسی ساخته است. «فیرینگ» میگوید: «رباتهای کوچک زمینرو اغلب برای بالارفتن از ارتفاعات و پریدن روی اشیا با مشکلات عدیدهای مواجه هستند؛ بههمیندلیل ما توجه خود را روی سیستم حرکتی هیبریدی متمرکز کرده و برای بهترشدن حرکت تصمیم گرفتیم که بالهای تکانخورنده و پاها را با هم ترکیب کنیم»؛ اما هنگامی که آنها بالها را به ربات DASH اضافه کردند، متوجه شدند که این ابزار میتواند در پاسخ به پرسش تکاملی منشأ پرواز مفید باشد. بههمیندلیل گروه تصمیم گرفت که در این زمینه با «رابرت دادلی»، دیرینهزیستشناس دانشگاه برکلی، تماس بگیرند و از او بخواهند که به گروه ملحق شود. گروه برای بررسی ربات و پاسخ دادن به سؤالات خود، مسابقات مینیالمپیکی را برای DASH+Wings ترتیب دادند. ربات روی زمین با سرعت زیادی حرکت
میکرد. از روی تپهها با سرعت خارقالعادهای بالا میرفت و هنگامیکه در ارتفاعات قرار میگرفت، برای اینکه از مبدأ پرش، حداکثر فاصله را بگیرد، از شیوه سُرخوردن کمک میگرفت. در همه این حالتها، گروه عملکرد ربات را در دو حالت «ربات بدون بال» و «ربات با بال متحرک» و «ربات با بال ساکن» مقایسه و همه اندازهگیریها با استفاده از شتابسنج و دوربین اندازهگیری شد.
«پترسون» درباره آزمایشهای انجامشده و نتایج آن میگوید: «داشتن یک جفت بال متحرک در هر آزمایش، به ربات بسیار کمک میکرد، بهویژه در سُرخوردن از ارتفاعات. بالهای متحرک به ربات امکان میداد بهآسانی از تپهها بالا برود و هنگام دویدن روی زمین باعث افزایش سرعت ربات میشد؛ اما تنها تا 90 درصد و این رقم از 400 درصد لازم برای پرواز، فاصله زیادی دارد. در آزمایش سُرخوردن از ارتفاعات، بالهای متحرک به ربات امکان میداد که بتواند از مبدأ پرواز فاصله بگیرد. درواقع این بالها همانند یک بادبان به ربات کمک میکردند تا حداکثر فاصله را از مبدأ پرواز خود بگیرد و این حالت در مقایسه با زمانی که ربات به بالهای ثابت مجهز شده بود، بسیار بیشتر به چشم میآمد. این نتایج به طور غیرمستقیم از این نظریه پشتیبانی میکند که پرواز در جانوران سقوطکننده از درخت تکامل یافته است، نه از جانوران زمینزی که باید با سرعت زیاد روی زمین میدویدند و سپس از سطح زمین بلند میشدند».
«برندون جکسون» زیستشناس تکاملی دانشگاه مونتانا، در میسوئولا میگوید: «این تحقیق، مثال زیبایی است از اینکه چگونه رباتهای نسبتا سادهای که با الهام از موجودات زنده ساخته شدهاند، میتوانند در انجام آزمایشهایی که بسیار مشکل هستند یا امکان تست آنها در موجودات زنده وجود ندارد، به دانشمندان کمک کنند». او در ادامه میافزاید: «نتایج بهدستآمده در این آزمایش از نظریه سُرخوردن در هوا پشتیبانی میکند؛ اما این احتمال را که ممکن است اجداد پرندگان آنقدر با سرعت زیاد دویده باشند که در نهایت از سطح زمین بلند شده باشند، رد نمیکند». در واقع میتوان گفت که درحالحاضر نمیتوان به پاسخ مستدل و قانعکنندهای برای منشأ پرواز پرندگان دست پیدا کرد.
www.sciencemag.org