این پایاننامه با عنوان «رویکردی الهامگرفته از بیمهرگان برای طراحی و ساخت در رباتیک نرم» به بررسی چگونگی استفاده از ساختارها و مکانیزمهای جانداران بیمهره برای بهبود طراحی و ساخت رباتهای نرم میپردازد. رباتهای نرم به دلیل انعطافپذیری ذاتی خود در کاربردهای بسیار متنوعی مانند برداشت میوه، کاوش در اعماق دریا، نمونهبرداری بیولوژیکی، جراحی، فیزیوتراپی، وسایل کمکی و وظایف گرفتن اجسام ظریف مورد توجه قرار گرفتهاند. با این حال، یکی از محدودیتهای اساسی آنها توانایی تولید نیروی بالا است. بسیاری از محرکهای نرم در خروجی نیرو ضعیف عمل میکنند و آنهایی که نیروی بیشتری تولید میکنند، کاربردهای بسیار محدودی دارند. برای غلبه بر این چالش، پژوهشگران به سراغ ساختارهای ترکیبی نرم و صلب رفتهاند. در طبیعت، بسیاری از بیمهرگان مانند اسفنجها، مرجانها، ستارههای دریایی و کرمها قادرند تغییر شکلهای بزرگ بدهند و همزمان سختی خود را تغییر دهند. این جانداران اغلب اجزای کوچک و صلب مانند سوزنهها، استخوانچهها و صفحات سخت را در بافت نرم خود جای دادهاند و به این ترتیب، سیستمهایی شبیه به رباتهای ترکیبی نرم و صلب ایجاد میکنند. این پایاننامه با الهام از این ساختارها، چارچوبی برای طراحی و ساخت رباتهای ترکیبی نرم و صلب ارائه میدهد و تلاش میکند مشکلات عملی مانند طراحی، قابلیت ساخت و جدایش لایهها بین اجزای نرم و صلب را حل کند.

فصل دوم به بررسی الهامگیری از بیمهرگان در طراحی رباتیک نرم اختصاص دارد. در این فصل، هفت شاخه از بیمهرگان شامل اسفنجها، مرجانها و عروسهای دریایی، نرمتنان مانند حلزون و هشتپا، کرمهای حلقوی، کرمهای مخملی، بندپایان مانند خرچنگ و عنکبوت، و خارپوستان مانند ستاره دریایی و ستاره شکننده بررسی میشوند. این جانداران به جای اسکلت استخوانی مهرهداران، از ساختارهایی مانند اسکلت هیدرواستاتیک، هیدرواستات عضلانی و اجزای کوچک صلب مانند سوزنهها و استخوانچهها استفاده میکنند. این ساختارها به آنها امکان میدهند تا با وجود نداشتن ستون فقرات، حرکت کنند، خود را نگه دارند و نیرو به محیط وارد کنند. پژوهشگران رباتیک نرم میتوانند از نحوه قرارگیری، اندازه و آرایش این اجزای صلب در بدن بیمهرگان الگو بگیرند تا محرکهای نرم قویتر و کارآمدتری طراحی کنند. به عنوان مثال، اسفنجها با آرایش سوزنههای خود میتوانند سختی خود را در جریانهای دریایی تغییر دهند و از آسیب جلوگیری کنند. مرجانهای نرم نیز استخوانچههای داخلی دارند که به آنها استحکام میبخشد. این اصول میتواند به طراحی سازوکارهای محدودکننده در رباتهای نرم کمک کند.

فصل سوم به روشهای ساخت و قالبگیری اجزای صلب شناور در داخل رباتهای نرم میپردازد. برخلاف تولید انبوه قطعات پلاستیکی که قالبگیری روی اجزای صلب امری رایج است، در رباتیک نرم این کار چالشبرانگیز است. یکی از مشکلات اصلی، جدایش یا لایهشدن بین مواد نرم و صلب است. این فصل چندین روش برای قرار دادن و تثبیت اجزای صلب درون قالب سیلیکون را معرفی و مقایسه میکند. این روشها شامل آویزان کردن اجزای صلب با نخ، استفاده از قطعات پلاستیکی جداشدنی، سنجاق کردن قطعات، نگهداشتن با آهنربا، چسباندن قطعات به قالب، قالبگیری چرخشی، قرار دادن قطعات در پایینترین حالت انرژی پتانسیل و استفاده از تور فلزی است. هر یک از این روشها مزایا و معایب خاص خود را دارند. برای مثال، آویزان کردن با نخ امکان قرارگیری دقیق را فراهم میکند اما زمانبر است و ممکن است محدودیت کرنش ناخواسته ایجاد کند. استفاده از قطعات جداشدنی دقت بالایی دارد اما سوراخهایی در بدنه محرک باقی میگذارد. سنجاق کردن قطعات آسان است اما برای اجزای کوچک عملی نیست. نگهداشتن با آهنربا امکان قرارگیری در جهتهای مختلف را میدهد اما برای تعداد زیاد قطعات کوچک دشوار است. چسباندن قطعات به قالب کنترل خوبی میدهد اما زمانبر است. قالبگیری چرخشی سرعت بالایی دارد اما دقت قرارگیری پایین است. در نهایت، هیچ روش واحدی بهترین نیست و انتخاب روش مناسب به هندسه محرک و نیازهای طراحی بستگی دارد. با این حال، مشکل جدایش اجزای صلب از rubber همچنان یک چالش اساسی باقی میماند که نیاز به راهحل دارد.

فصل چهارم یک راهحل نوآورانه برای مشکل جدایش بین اجزای صلب و نرم ارائه میدهد: استفاده از پرزدار کردن یا flocking. در این روش، الیاف ریز مصنوعی یا طبیعی روی سطح قطعات صلب اعمال میشود تا سطح تماس آنها با rubber افزایش یابد. این افزایش سطح تماس، نیروها را بین سطح مشترک نرم و صلب توزیع میکند و استحکام اتصال را بالا میبرد. این فصل فرآیند پرزدار کردن را در مقیاس آزمایشگاهی معرفی میکند و مواد مختلف پرز، چسبها و بسترهای چاپ سهبعدی را ارزیابی میکند. نتایج آزمایشهای کششی و پوستهای نشان میدهد که پرزدار کردن میتواند نیروی جدایش را به طور قابل توجهی افزایش دهد و حتی از چسبهای سیلیکونی مخصوص نیز فراتر رود. بهترین ترکیبها شامل پرز ریون با چسب مخصوص flocking روی ABS و پرز ریون با رنگ اکریلیک روی PLA است. پرزهای بلندتر مانند پرز علفی نیز عملکرد خوبی دارند اما ممکن است خطر ایجاد سوراخ در دیوارههای نازک محرک را داشته باشند. پرزهای پنبهای دستساز نیز عملکرد خوبی دارند اما زمانبر هستند. این روش همچنین اجازه میدهد تا اجزای صلب به طور کامل درون rubber قالبری شوند، بدون نیاز به دسترسی برای چسباندن. در ادامه، چند نمونه عملی مانند اتصالدهندههای پرزدار در محرکهای پنوماتیک، لولههای پرزدار و سنسورهای پرزدار نمایش داده میشود که همگی عملکرد بهبودیافتهای از خود نشان میدهند. به عنوان مثال، لولههای پرزدار فشار ترکیدگی بالاتری نسبت به اتصالات چسبی سنتی داشتند و سنسورهای پرزدار توانستند بدون لایهشدن، سیگنالهای پایدارتری ارائه دهند.

فصل پنجم به سمت نمایشهای عملی اجزای صلب در رباتیک نرم میرود. ابتدا یک مکانیزم قیچی منحنی برای گرفتن اجسام طراحی و ساخته میشود. این مکانیزم از اتصالات صلب تشکیل شده و میتواند نیروی بالایی تحمل کند، اما معایبی مانند پیچیدگی تحلیل، لقی زیاد و خطر گیر کردن دارد. هدف این مکانیزم گرفتن بازوی انسان با ظرفیت بار حداقل ۳۵ نیوتن و قطر گرفتن ۷۵ میلیمتر است. این مکانیزم با استفاده از پیچهای سربی و یاتاقانهای خطی actuate میشود و مسیر منحنی آن به گونهای است که ابتدا باز میشود و سپس بسته میشود و امکان گرفتن اجسام با اندازههای مختلف را فراهم میکند. تحلیل نیروهای وارد بر اتصالات نشان میدهد که با افزایش بار، نیروی لازم برای actuation نیز افزایش مییابد. در مقابل، یک محرک نرم با اجزای صلب داخلی ساخته میشود که اگرچه در ابتدا نیروی کمی تولید میکند و در فشار ۸۰ کیلوپاسکال میترکد، اما پتانسیل بالایی برای آینده دارد. این محرک از ۱۶ جزء صلب در داخل دیوارههای آکاردئونی تشکیل شده و میتواند به راحتی خم شود. برخلاف مکانیزم صلب، خطر آسیب رساندن به کاربر را ندارد. مقایسه این دو نشان میدهد که رباتهای ترکیبی نرم و صلب میتوانند مزایای هر دو جهان را داشته باشند، اما هنوز نیاز به بهبود در طراحی، ساخت و تحلیل دارند. به ویژه، قالبگیری یکپارچه و استفاده از پرزدار کردن میتواند به افزایش استحکام و جلوگیری از جدایش اجزا کمک کند.

فصل ششم به کارهای آینده اختصاص دارد. پیشنهاد میشود که تحقیقات بیشتری روی درک بهتر مکانیزمهای حرکتی بیمهرگان و انتقال آنها به رباتیک نرم انجام شود. در زمینه ساخت، روشهای قالبگیری چرخشی، نگهداشتن با آهنربا و استفاده از تور فلزی که در این پایاننامه آزمایش نشدهاند، باید بررسی شوند. همچنین، پرزدار کردن نیاز به مشخصهیابی کاملتری دارد تا مدلهای دقیقتری برای پیشبینی شکست در رباتهای نرم ارائه شود. استفاده از هندسههای پیچیدهتر و پلاستیکهای متنوع نیز میتواند مفید باشد. در مورد مکانیزم قیچی منحنی، تحلیل تنش و خستگی برای مقایسه عددی با رباتهای نرم ضروری است. محرک نرم با اجزای صلب نیز باید بازطراحی شود تا حرکت مورد نظر را به دست آورد و از قالبگیری یکپارچه برای حذف نشتی استفاده کند. به طور کلی، این پایاننامه نشان میدهد که الهامگیری از بیمهرگان و استفاده از اجزای صلب شناور در ساختارهای نرم میتواند به افزایش ظرفیت بار، سختی متغیر و عملکرد بهتر رباتهای نرم منجر شود، اما نیاز به تحقیقات بیشتر در زمینه طراحی، ساخت و تحلیل دارد.

در جمعبندی، این اثر یک چارچوب جامع برای طراحی و ساخت رباتهای ترکیبی نرم و صلب ارائه میدهد که از ساختارهای بیمهرگان الهام گرفته شده است. روش پرزدار کردن به عنوان یک راهحل مؤثر برای اتصال مواد نرم و صلب معرفی میشود که میتواند جایگزین چسبهای سنتی شود و امکان قالبگیری مستقیم اجزای صلب را فراهم کند. نمایشهای عملی نشان میدهند که این روش در اتصالات پنوماتیک، لولهها و سنسورها کارآمد است. با وجود چالشهای باقیمانده مانند بهینهسازی هندسه اجزای صلب و بهبود فرآیندهای قالبگیری یکپارچه، جهتگیری کلی پژوهش امیدوارکننده است. ترکیب اصول طراحی مکانیزمهای صلب با انعطافپذیری رباتهای نرم میتواند به ساخت رباتهایی منجر شود که هم نیروی کافی داشته باشند و هم بتوانند با محیطهای نامطمئن و اجسام ظریف به خوبی تعامل کنند. این پایاننامه گامی مهم در جهت تحقق این هدف است و زمینه را برای تحقیقات آینده در زمینه رباتیک نرم ترکیبی فراهم میکند.

وقتی بی‌مهرگان به مهندسان رباتیک درس می‌دهند: راز ساخت ربات‌های نرم قوی‌تر

تصور کنید یک ربات نرم دارید که می‌تواند مثل هشت‌پا خودش را جمع کند، مثل کرم حرکت کند و مثل ستاره دریایی سفت شود. اما یک مشکل بزرگ وجود دارد: این ربات‌ها وقتی می‌خواهند چیزی را بلند کنند، مثل یک بادکنک پر از هوا عمل می‌کنند؛ نرم و انعطاف‌پذیر، اما ضعیف. این دقیقاً همان چالشی است که سال‌ها ذهن مهندسان رباتیک را به خود مشغول کرده است. آیا طبیعت قبلاً این مسئله را حل کرده است؟ پاسخ در موجوداتی نهفته است که نه ستون فقرات دارند و نه استخوان، اما با این حال می‌توانند نیروهای شگفت‌انگیزی تولید کنند. این مقاله به سفری در دنیای بی‌مهرگان می‌رود تا بفهمیم چگونه می‌توان از آن‌ها یاد گرفت و ربات‌های نرمی ساخت که هم انعطاف‌پذیر باشند و هم قدرتمند.

چرا ربات‌های نرم به کمک نیاز دارند؟

ربات‌های نرم به دلیل انعطاف‌پذیری‌شان در کارهایی مثل برداشت میوه، جراحی و فیزیوتراپی عالی هستند. آن‌ها می‌توانند اجسام ظریف را بدون آسیب گرفتن، بلند کنند. اما همین انعطاف‌پذیری باعث می‌شود نتوانند نیروی زیادی اعمال کنند. بیشتر محرک‌های نرم فقط تا حدود ۵۰ نیوتن (حدود ۵ کیلوگرم) بار را تحمل می‌کنند. این در حالی است که ربات‌های صلب می‌توانند صدها کیلوگرم را جابه‌جا کنند، اما در مقابل، برای کار با اجسام ظریف نیاز به کنترل پیچیده دارند و ممکن است به آن‌ها آسیب بزنند. سؤال این است: آیا می‌توان رباتی ساخت که هم نرم و انعطاف‌پذیر باشد و هم بتواند نیروی بالا تولید کند؟

معلمانی از اعماق دریا

در دنیای بی‌مهرگان، موجوداتی مثل اسفنج‌ها، مرجان‌ها، ستاره‌های دریایی و کرم‌ها وجود دارند که دقیقاً همین کار را انجام می‌دهند. آن‌ها بدون استخوان، هم می‌توانند تغییر شکل‌های بزرگ بدهند و هم سختی خود را تغییر دهند. راز آن‌ها در اجزای کوچک و صلب به نام سوزنه‌ها، استخوانچه‌ها یا صفحات سخت است که در بافت نرمشان پراکنده شده‌اند. این اجزا مثل یک اسکلت شناور عمل می‌کنند که می‌تواند در زمان نیاز سفت شود و در زمان دیگر نرم بماند. برای مثال، اسفنج‌ها با آرایش خاص سوزنه‌های خود می‌توانند در برابر جریان‌های شدید دریایی مقاومت کنند و از آسیب جلوگیری کنند. این موجودات به مهندسان نشان می‌دهند که ترکیب مواد نرم و صلب می‌تواند کلید حل مشکل باشد.

چالش بزرگ: جدایش لایه‌ها

وقتی مهندسان سعی کردند از این ایده الهام بگیرند و اجزای صلب را داخل ربات‌های نرم قرار دهند، با یک مشکل اساسی روبه‌رو شدند: جدایش یا لایه‌شدن بین مواد نرم و صلب. مثل این است که یک تکه آهن را داخل ژله قرار دهید؛ با کمی کشیدن، آهن از ژله جدا می‌شود. این جدایش باعث می‌شود ربات عملکرد درستی نداشته باشد و حتی خراب شود. راه‌حل‌های سنتی مثل چسباندن با چسب سیلیکونی کارساز نبودند، چون چسب‌ها نمی‌توانند به‌خوبی به پلاستیک‌های چاپ سه‌بعدی بچسبند و در برابر کشش مقاومت کنند. اینجا بود که یک ایده غیرمنتظره از دنیای نساجی و صنعت وارد شد: پرزدار کردن.

راه‌حل غیرمنتظره: پرزدار کردن

پرزدار کردن یا flocking تکنیکی است که در آن الیاف ریز مصنوعی یا طبیعی روی سطح قطعات صلب اعمال می‌شود. این کار سطح تماس را به شدت افزایش می‌دهد و مثل میلیون‌ها قلاب کوچک عمل می‌کند که درون rubber گیر می‌کنند. نتیجه؟ اتصالی که به‌جای چسب، از نیروی مکانیکی برای مقاومت در برابر جدایش استفاده می‌کند. آزمایش‌ها نشان دادند که این روش می‌تواند نیروی جدایش را تا چند برابر افزایش دهد و حتی از چسب‌های مخصوص سیلیکون هم قوی‌تر باشد. بهترین ترکیب‌ها شامل پرز ریون با چسب مخصوص روی ABS و پرز ریون با رنگ اکریلیک روی PLA بود. این یعنی حالا می‌توان قطعات صلب را به‌طور کامل داخل rubber قالب‌گیری کرد، بدون نیاز به دسترسی برای چسباندن.

«پرزدار کردن یک استراتژی ساخت مؤثر برای ایجاد اتصالات قوی بین اجزای نرم و صلب است. این روش فضای طراحی جدیدی را باز می‌کند که در آن اجزای صلب و انعطاف‌پذیر می‌توانند مستقیماً در ساختارهای نرم جاسازی شوند، بدون آنکه در معرض جدایش باشند.»

نمونه‌های واقعی: از لوله تا سنسور

برای اثبات کارایی این روش، چند نمونه عملی ساخته شد. یک محرک پنوماتیک شبکه‌ای با یک اتصال‌دهنده پرزدار در پایه‌اش ساخته شد که توانست فشار ۱۰۰ کیلوپاسکال را تحمل کند، تقریباً مشابه نمونه‌ای که با چسب سیلیکونی ساخته شده بود. لوله‌های پرزدار در سیستم‌های پنوماتیک نرم، فشار ترکیدگی بالاتری نسبت به لوله‌های چسبی داشتند و حتی تغییرات کمتری در عملکرد نشان دادند. یک سنسور خمشی مقاومتی هم با پرزدار کردن یک طرفش، مستقیماً داخل محرک نرم قالب‌گیری شد و توانست بدون لایه‌شدن، سیگنال‌های پایدار و قابل‌اعتمادی ارائه دهد. این نمونه‌ها نشان می‌دهند که پرزدار کردن فقط یک تئوری نیست، بلکه یک راه‌حل عملی و مقیاس‌پذیر است.

مکانیزم قیچی منحنی: تلاشی دیگر برای گرفتن اجسام

در کنار محرک‌های نرم، یک مکانیزم صلب هم برای گرفتن اجسام طراحی شد: یک قیچی منحنی که می‌تواند دور بازوی انسان بپیچد. این مکانیزم از اتصالات صلب ساخته شده و نیروی بالایی تحمل می‌کند، اما معایبی هم دارد. لقی زیاد در مفاصل، خطر گیر کردن انگشتان و پیچیدگی تحلیل نیروها از جمله مشکلات آن است. با این حال، این مکانیزم به‌عنوان یک نقطه شروع برای درک نحوه قرارگیری اجزای صلب در محرک‌های نرم عمل کرد. مقایسه این دو نشان می‌دهد که ربات‌های ترکیبی نرم و صلب می‌توانند مزایای هر دو جهان را داشته باشند، اما هنوز راه زیادی برای بهبود طراحی و ساخت آن‌ها باقی مانده است.

چرا این موضوع مهم است؟

این پژوهش فقط یک کار دانشگاهی نیست. اگر بتوانیم ربات‌های نرمی بسازیم که هم انعطاف‌پذیر باشند و هم نیروی بالا تولید کنند، می‌توانیم آن‌ها را در کاربردهای بی‌شماری به کار بگیریم: از جراحی‌های ظریف که نیاز به دقت و نیروی کنترل‌شده دارند، تا برداشت میوه که نباید به محصول آسیب بزند، تا وسایل کمکی برای سالمندان که باید هم راحت و هم قوی باشند. الهام از بی‌مهرگان به ما نشان می‌دهد که طبیعت میلیون‌ها سال است در حال آزمایش و بهینه‌سازی این ساختارهاست. ما فقط باید یاد بگیریم که چطور از آن درس‌ها استفاده کنیم. همان‌طور که این پایان‌نامه نشان می‌دهد، ترکیب پرزدار کردن با طراحی هوشمندانه اجزای صلب می‌تواند مسیر را برای نسل بعدی ربات‌های نرم هموار کند.