الروبوتات المستوحاة من الطبيعة

قد تشمل الحركة على سطح ما الحركة الأرضية والحركة الشجرية . وسنتناول الحركة الأرضية بالتفصيل في القسم التالي.

الحركة في مجرى الدم أو في أوساط زراعة الخلايا، والسباحة والطيران . هناك العديد من الروبوتات السابحة والطائرة التي صممها وبناها متخصصو الروبوتات. ^{[ 2 ]} يستخدم بعضها محركات مصغرة أو مشغلات MEMS تقليدية (مثل المحركات الكهروإجهادية، والحرارية، والمغناطيسية، وما إلى ذلك)، ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} بينما يستخدم البعض الآخر خلايا عضلية حيوانية كمحركات. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

قد تمتلك الروبوتات ذات الأرجل ساقًا واحدة، ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} أو ساقين، ^{[ 13 ]} أو أربع، ^{[ 14 ]} أو ست، ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} أو عدة أرجل ^{[ 18 ]} ، وذلك حسب التطبيق. من أهم مزايا استخدام الأرجل بدلًا من العجلات هو التحرك بكفاءة أكبر على البيئات غير المستوية. يُعدّ المشي على قدمين ، أو أربع ، أو ست أرجل من أكثر أنواع المشي شيوعًا في مجال الروبوتات المستوحاة من الطبيعة. يُعتبر كل من Rhex ، وهو روبوت سداسي الأرجل موثوق ^{[ 15 ]،} وCheetah ^{[ 19 ]} أسرع روبوتين جريًا حتى الآن. أما iSprawl فهو روبوت سداسي الأرجل آخر مستوحى من حركة الصرصور ، وقد طُوّر في جامعة ستانفورد. ^{[ 16 ]} يستطيع هذا الروبوت الجري بسرعة تصل إلى 15 ضعف طول جسمه في الثانية، ويمكنه بلوغ سرعات تصل إلى 2.3  متر/ثانية. كان الإصدار الأصلي من هذا الروبوت يعمل بالهواء المضغوط، بينما يستخدم الجيل الجديد محركًا كهربائيًا واحدًا للحركة. ^{[ 17 ]}

تُشكل التضاريس ذات النطاقات الطولية المختلفة تحديًا لمعظم الكائنات الحية والروبوتات المُحاكية للطبيعة. بينما يسهل على الكائنات عديمة الأطراف، كالثعابين، اجتياز هذه التضاريس. وتتمتع العديد من الحيوانات والحشرات، بما فيها الديدان والقواقع واليرقات والثعابين ، بالقدرة على الحركة بدون أطراف . وقد قدم هيروسي وآخرون ^{[ 20 ]} مراجعةً للروبوتات الشبيهة بالثعابين. ويمكن تصنيف هذه الروبوتات إلى روبوتات ذات عجلات سلبية أو نشطة، وروبوتات ذات جنازير نشطة، وروبوتات متموجة تستخدم موجات رأسية أو تمددات خطية. تستخدم معظم الروبوتات الشبيهة بالثعابين عجلات، تتميز باحتكاك عالٍ عند الحركة الجانبية، واحتكاك منخفض عند التدحرج للأمام (ويمكن منعها من التدحرج للخلف). وتستخدم غالبية هذه الروبوتات إما التموج الجانبي أو الحركة المستقيمة، وتواجه صعوبة في التسلق الرأسي. وقد طور تشوسيت مؤخرًا روبوتًا معياريًا يُحاكي عدة أنماط من مشية الثعابين، ولكنه لا يستطيع أداء الحركة الأكورديونية . ^{[ 21 ]} طوّر باحثون في معهد جورجيا للتكنولوجيا مؤخرًا روبوتين يشبهان الثعبان يُطلق عليهما اسم "سكاليبوت". يركز هذان الروبوتان على دور الحراشف البطنية للثعبان في تعديل خصائص الاحتكاك في اتجاهات مختلفة. يستطيع هذان الروبوتان التحكم بنشاط في حراشفهما لتعديل خصائص الاحتكاك والتحرك بكفاءة على أسطح متنوعة. ^{[ 22 ]} طوّر باحثون في جامعة كارنيجي ميلون روبوتات تشبه الثعبان، منها ما هو مزود بحراشف ^{[ 23 ]} ومنها ما هو مزود بمحركات تقليدية. ^{[ 24 ]}

يُعدّ التسلق مهمةً بالغة الصعوبة، إذ قد يؤدي أي خطأ يرتكبه المتسلق إلى فقدانه توازنه وسقوطه. وقد بُنيت معظم الروبوتات حول وظيفة واحدة مُستوحاة من نظيراتها البيولوجية. تستخدم روبوتات الوزغ عادةً قوى فان دير فالس التي تعمل فقط على الأسطح الملساء. ^{[ 25 ]} واستلهامًا من الوزغ، ابتكر علماء من جامعة ستانفورد خاصية الالتصاق لدى الوزغ. فعلى غرار الشعيرات الموجودة في ساق الوزغ، وُضعت ملايين الألياف الدقيقة ووُصلت بنابض. يكون طرف الألياف الدقيقة حادًا ومدببًا في الظروف العادية، ولكن عند تشغيله، تُحدث حركة النابض ضغطًا يُثني هذه الألياف الدقيقة ويزيد من مساحة تلامسها مع سطح الزجاج أو الجدار. وباستخدام التقنية نفسها، ابتكر علماء ناسا ماسكات الوزغ لتطبيقات مختلفة في الفضاء. أما الروبوتات اللاصقة فتستخدم مواد لاصقة جافة موجهة تعمل بكفاءة عالية على الأسطح الملساء. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} يُعدّ كلٌّ من روبوت Spinybot ^{[ 31 ]} وروبوت RiSE ^{[ 32 ]} من بين الروبوتات الشبيهة بالحشرات التي تستخدم الأشواك. وتعاني الروبوتات المتسلقة ذات الأرجل من عدة قيود، فهي لا تستطيع التعامل مع العوائق الكبيرة لعدم مرونتها، كما أنها تتطلب مساحة واسعة للحركة. وعادةً ما تعجز عن تسلق الأسطح الملساء والخشنة على حدٍّ سواء، أو الانتقال بسلاسة من الوضع الرأسي إلى الأفقي.

يُعدّ القفز من المهام الشائعة التي تؤديها العديد من الكائنات الحية . ومن بين أفضل الحيوانات قفزًا: البهارال ، والأرانب البرية ، والكنغر ، والجراد ، والبراغيث ، والجنادب  . وقد طُوّر في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL) روبوت قفز مصغر بوزن 7 غرامات مستوحى من الجراد، قادر على القفز لمسافة تصل إلى 138 سم. ^{[ 33 ]} ويتم تحفيز القفزة عن طريق تحرير زنبرك. أما الروبوت المصغر الأعلى قفزًا، والمستوحى من الجراد، فيزن 23 غرامًا، ويبلغ أقصى ارتفاع قفزة له 365  سم، وهو روبوت "TAUB" (جامعة تل أبيب وكلية براود للهندسة). ^{[ 34 ]} ويستخدم هذا الروبوت زنبركات الالتواء لتخزين الطاقة، ويتضمن آلية سلكية وقفل لضغط الزنبركات وتحريرها. وقد أبلغ المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ (ETH Zurich) عن روبوت قفز مرن يعتمد على احتراق غاز الميثان وغاز الضحك . ^{[ 35 ]} ويؤدي التمدد الحراري للغاز داخل غرفة الاحتراق المرنة إلى زيادة حجم الغرفة بشكل كبير. يتسبب هذا في  قفز الروبوت الذي يزن 2 كيلوغرام لمسافة تصل إلى 20  سنتيمتراً. ثم يعيد الروبوت المرن، المستوحى من لعبة التدحرج، توجيه نفسه إلى وضع مستقيم بعد الهبوط.

تشير التقديرات إلى أن بعض الأسماك قادرة على تحقيق كفاءة دفع تتجاوز 90% أثناء السباحة. ^{[ 36 ]} علاوة على ذلك، تتميز بقدرتها على التسارع والمناورة بكفاءة تفوق أي قارب أو غواصة من صنع الإنسان، مع إحداث ضوضاء واضطراب أقل في الماء. لذا، يسعى العديد من الباحثين في مجال الروبوتات تحت الماء إلى محاكاة هذا النوع من الحركة. ^{[ 37 ]} ومن الأمثلة البارزة على ذلك، روبوت السمكة G9 التابع لقسم علوم الحاسوب بجامعة إسيكس ، ^{[ 38 ]} وروبوت التونة الذي بناه معهد الروبوتات الميدانية لتحليل حركة التونة ونمذجتها رياضياً . ^{[ 39 ]} أما روبوت البطريق المائي، ^{[ 40 ]} الذي صممته وبنته شركة فيستو الألمانية، فيحاكي الشكل الانسيابي وآليات الدفع بواسطة الزعانف الأمامية للبطاريق . كما قامت فيستو ببناء روبوتي سمكة الراي المائية وقنديل البحر المائي، اللذين يحاكيان حركة سمكة المانتا وقنديل البحر على التوالي.

في عام 2014، طُوِّر الروبوت iSplash -II على يد طالب الدكتوراه ريتشارد جيمس كلافام والبروفيسور هووشنغ هو في جامعة إسكس. وكان أول روبوت سمكي قادر على التفوق على أسماك الكارنجيفورم الحقيقية من حيث متوسط ​​السرعة القصوى (مقاسة بطول الجسم/ثانية) والقدرة على التحمل، أي المدة التي تُحافظ فيها على السرعة القصوى. ^{[ 41 ]} وقد حقق هذا النموذج سرعات سباحة بلغت 11.6 طول جسم/ثانية (أي 3.7  متر/ثانية). ^{[ 42 ]} أما النموذج الأول، iSplash -I (2014)، فكان أول منصة روبوتية تُطبِّق حركة سباحة كارنجيفورم كاملة الطول، والتي وُجد أنها تزيد سرعة السباحة بنسبة 27% مقارنةً بالنهج التقليدي للموجة الخلفية المحدودة. ^{[ 43 ]}

تتميز الروبوتات المعيارية بقدرتها على أداء مهام متعددة، وهي مفيدة بشكل خاص في عمليات البحث والإنقاذ أو مهام الاستكشاف. ومن أبرز الروبوتات في هذه الفئة: روبوت مستوحى من السلمندر طُوّر في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL) قادر على المشي والسباحة، ^{[ 44 ]} وروبوت مستوحى من الثعبان طُوّر في جامعة كارنيجي ميلون، ويتمتع بأربعة أنماط مختلفة للحركة على الأرض، ^{[ 21 ]} وروبوت مستوحى من الصرصور قادر على الجري والتسلق على تضاريس متنوعة ومعقدة. ^{[ 15 ]}

الروبوتات الشبيهة بالبشر هي روبوتات تشبه الإنسان في شكلها أو مستوحاة منه. وتتنوع أنواعها لتشمل تطبيقاتٍ مثل المساعدة الشخصية، والاستقبال، والعمل في الصناعات، والمرافقة. كما تُستخدم هذه الروبوتات لأغراض البحث العلمي، وقد طُوّرت في الأصل لتطوير أجهزة تقويمية وأطراف اصطناعية أفضل للبشر. يُعدّ "بيتمان" أحد أوائل الروبوتات الشبيهة بالبشر وأكثرها تطورًا، وقد طُوّر في شركة "بوسطن داينامكس". بعض هذه الروبوتات، مثل "هوندا أسيمو"، مُزوّدة بمحركات زائدة. ^{[ 45 ]} في المقابل، هناك روبوتات أخرى، مثل الروبوت الذي طُوّر في جامعة كورنيل، لا تحتوي على أي محركات وتتحرك بشكل سلبي على منحدرات طفيفة. ^{[ 46 ]}

لطالما حظي السلوك الجماعي للحيوانات باهتمام الباحثين لسنوات عديدة. فالنمل قادر على بناء هياكل مثل الطوافات للبقاء على قيد الحياة في الأنهار. وتستطيع الأسماك استشعار بيئتها بشكل أكثر فعالية في مجموعات كبيرة. أما علم الروبوتات الجماعية فهو مجال حديث نسبياً، ويهدف إلى ابتكار روبوتات قادرة على العمل معاً، ونقل البيانات، وبناء الهياكل بشكل جماعي. ^{[ 47 ]}

وقد بحثت الأبحاث الحديثة في خوارزميات التنسيق المستوحاة من الطبيعة ، واستراتيجيات الاتصال ، وهياكل الأنظمة الخاصة بروبوتات الأسراب تحت الماء، مستلهمةً من السلوكيات الجماعية التي لوحظت في الكائنات البحرية مثل أسراب الأسماك وغيرها من أشكال الأسراب البيولوجية . ^{[ 48 ]}

الروبوتات المرنة ^{[ 49 ]} هي روبوتات مصنوعة بالكامل من مواد مرنة وتتحرك بفعل الضغط الهوائي، على غرار الأخطبوط أو نجم البحر . تتميز هذه الروبوتات بمرونة كافية للتحرك في مساحات ضيقة للغاية (مثل داخل جسم الإنسان). طُوِّر أول روبوت مرن متعدد الحركات في عام 2011 ^{[ 50 ]} ، وطُوِّر أول روبوت مرن مستقل ومتكامل تمامًا (مزود ببطاريات مرنة وأنظمة تحكم) في عام 2015 ^{[ 51 ].}

• مختبر بولي-بيدال (الأستاذ بوب فول)
• مختبر الأنظمة البيئية المحاكية للأنظمة الحيوية (الأستاذ رون فيرينج)
• مختبر المحاكاة الحيوية والتلاعب الماهر (الأستاذ مارك كوتكوسكي)
• مختبر الروبوتات المحاكاة الحيوية (البروفيسور سانجباي كيم)
• مختبر هارفارد للروبوتات الدقيقة (البروفيسور روب وود)
• مختبر هارفارد للتصميم الحيوي (البروفيسور كونور والش)
• مختبر المواد الوظيفية ETH (البروفيسور ويندلين ستارك)
• مختبر الأرجل في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
• مركز التصميم المستوحى من علم الأحياء في معهد جورجيا للتكنولوجيا
• مختبر الروبوتات المستوحاة من علم الأحياء، جامعة كيس ويسترن ريزيرف
• مجموعة أبحاث الروبوتات الحيوية (إس. فيوليت/ إف. روفييه) ، معهد علوم الحركة، المركز الوطني للبحث العلمي/جامعة إيكس مارسيليا (فرنسا)
• مركز الروبوتات الحيوية، جامعة تالين للتكنولوجيا
• BioRob EPFL (البروفيسور أوك إجسبيرت)