سمكة آلية

يركز المهندسون غالبًا على التصميم الوظيفي. فعلى سبيل المثال، يسعى المصممون إلى ابتكار روبوتات ذات أجسام مرنة (مثل الأسماك الحقيقية) قادرة على الحركة التموجية. يُمكّن هذا النوع من الأجسام الروبوت السمكي من السباحة بطريقة مشابهة لسباحة الأسماك الحية، مما يسمح لها بالتكيف مع البيئات المعقدة ومعالجتها. صُمم أول روبوت سمكي (روبوتونا من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) لمحاكاة بنية وخصائص سمكة التونة. وفي محاولة لاكتساب قوة دفع ومناورة، تستطيع أنظمة التحكم في الروبوت السمكي التحكم في الجسم والزعنفة الذيلية، مما يمنحهما حركة موجية. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

بهدف التحكم في حركة الأسماك الآلية وتحليلها، يدرس الباحثون شكل ذيلها ونموذجه الديناميكي وحركاته الجانبية. ومن بين أشكال الذيل العديدة الموجودة في الأسماك الآلية، الشكل الهلالي. وتشير بعض الدراسات إلى أن هذا النوع من الذيل يزيد من سرعة السباحة ويجعل السمكة الآلية أكثر كفاءة.

يُولّد الذيل الخلفي قوة دفع، مما يجعله أحد أهم أجزاء السمكة الآلية. تمتلك الأسماك الحية عضلات قوية قادرة على توليد حركات جانبية للتنقل بينما يبقى الرأس في حالة سكون نسبي. ولذلك، ركّز الباحثون على حركية الذيل عند تطوير حركة السمكة الآلية. ^{[ 7 ]}

تُستخدم نظرية الجسم النحيف غالبًا عند دراسة حركة الأسماك الآلية. يُساوي متوسط ​​معدل العمل للحركات الجانبية مجموع متوسط ​​معدل العمل المتاح لإنتاج متوسط ​​قوة الدفع ومعدل فقدان الطاقة الحركية لحركات السوائل الجانبية. يُمكن حساب متوسط ​​قوة الدفع بالكامل من الإزاحة وسرعة السباحة عند الحافة الخلفية للزعنفة الذيلية. ^{[ 8 ]} تُستخدم هذه الصيغة البسيطة عند حساب حركة كل من الأسماك الآلية والأسماك الحية.

يمكن لأنظمة الدفع الواقعية أن تُسهم في تحسين المناورة الذاتية وإظهار مستوى أعلى من أداء الحركة. ويمكن استخدام خيارات متنوعة من الزعانف في تصميم أسماك الروبوت لتحقيق هذا الهدف. فبإضافة الزعانف الصدرية، تستطيع أسماك الروبوت توجيه القوة وأداء حركات سباحة معقدة بدلاً من السباحة للأمام فقط. ^{[ 9 ]}

تختلف أشكال وأحجام الزعانف اختلافًا كبيرًا في الأسماك الحية، لكنها جميعًا تُسهم في تحقيق مستوى عالٍ من الدفع في الماء. ولتحقيق نفس النوع من الدفع السريع والفعّال في المناورة، تحتاج الأسماك الآلية إلى أسطح تحكم متعددة. ويرتبط أداء الدفع بموقع أسطح التحكم وحركتها وخصائصها الهيدروديناميكية. ^{[ 10 ]}

يكمن مفتاح التحكم في سمكة روبوتية متعددة المفاصل في تصميم آلية مبسطة قادرة على توليد قدر معقول من التحكم. ينبغي على المصممين مراعاة بعض العوامل المهمة، بما في ذلك الحركات الجانبية للجسم، والبيانات الحركية، والبيانات التشريحية. عند محاكاة سمكة روبوتية من نوع BCF، يجب أن توفر موجة الجسم القائمة على الوصلات حركات مشابهة لحركات السمكة الحية. يجب أن يكون هذا النوع من التحكم في السباحة القائم على موجة الجسم منفصلاً ومُعَيَّراً لنمط سباحة محدد. قد يكون ضمان استقرار نمط السباحة صعباً، كما أن الانتقال بسلاسة بين نمطين مختلفين قد يكون معقداً في الأسماك الروبوتية. ^{[ 11 ]}

يُمكن لنظام عصبي مركزي يُعرف باسم " مولد النمط المركزي " (CPG) التحكم في حركة الأسماك الروبوتية متعددة الأجزاء. يقع مولد النمط المركزي في كل قطعة من جسم السمكة، ويستطيع ربط وتحفيز العضلات المنقبضة أو المتمددة. يتحكم المخ ، وهو الجزء الأمامي من دماغ الفقاريات، في إشارات البدء والتوقف والانعطاف. بعد أن تُشكّل الأنظمة حركة ثابتة، تتوقف الإشارة من المخ، ويستطيع مولد النمط المركزي إنتاج أنماط الحركة وتعديلها.

على غرار دورها في الأسماك الحية، تُستخدم الشبكات العصبية للتحكم في الأسماك الآلية. تتضمن عملية تصميم الشبكات العصبية الحيوية عدة نقاط أساسية. أولًا، يعتمد المحرك الحيوي على محرك مؤازر واحد لتحريك كل مفصل، بينما تمتلك السمكة مجموعتين عضليتين في كل مفصل. يمكن للمصممين تطبيق مولد نمط مركزي واحد في كل جزء للتحكم في المفصل المقابل. ثانيًا، يُحاكي نموذج حسابي منفصل الأنسجة البيولوجية المتصلة. أخيرًا، يُحدد زمن التأخير بين الخلايا العصبية فارق الطور بين الأجزاء. تُعد دالة زمن التأخير في النموذج الحسابي ضرورية. ^{[ 12 ]}

يُعدّ الحصول على استجابة متسقة تحديًا في دراسات سلوك الحيوان عند استخدام محفزات حية كمتغيرات مستقلة. وللتغلب على هذا التحدي، يمكن استخدام الروبوتات كمحفزات متسقة لاختبار الفرضيات، مع تجنب تدريب الحيوانات الكبيرة واستخدامها. ويمكن برمجة هذه الآلات القابلة للتحكم لتُحاكي الحيوانات في الشكل والصوت وحتى الرائحة. وبذلك، يُمكننا الحصول على فهم أفضل لسلوك الحيوان باللجوء إلى استخدام الروبوتات بدلًا من الحيوانات الحية، لأن الروبوتات قادرة على إنتاج استجابة ثابتة ضمن مجموعة من الإجراءات القابلة للتكرار. علاوة على ذلك، ومع تنوع استخداماتها الميدانية وقدرتها العالية على الاستقلالية، تُبشّر الروبوتات بإمكانية دعم الدراسات السلوكية في بيئتها الطبيعية. ^{[ 13 ]}

تُعدّ أسماك الروبوت اللعبة أكثر ألعاب الروبوت شيوعًا في السوق. تُستخدم في الغالب للترفيه، مع أن بعضها يُستخدم لأغراض البحث. تتميز هذه الألعاب بتصميمها البسيط وانخفاض تكلفتها. تُصنّف عادةً إلى فئتين: أسماك الروبوت ذاتية الحركة وأسماك الروبوت ذات الحركة المُتحكّم بها. تتكون أبسطها من جسم مرن (MJ)، ومحرك (الذيل)، ورأس (وحدة تحكم كهربائية أساسية). تستخدم هذه الأسماك بطارية لتزويد المحرك بالطاقة اللازمة للحركة، وتستخدم أنظمة التحكم عن بُعد لتوجيهها. في المقابل، تتشابه أسماك الروبوت اللعبة والمخصصة لأغراض البحث من حيث التعقيد تقريبًا. فهي ليست آلية بالكامل فحسب، بل تُحاكي سلوك الأسماك. على سبيل المثال، إذا وُضع جسم غريب في الماء مع سمكة الروبوت، فإنها ستُحاكي حركة السمكة الحقيقية. ستبتعد عن الجسم الغريب وتزداد سرعة سباحتها، مُظهرةً حالة من الصدمة والارتباك تجاهه، تمامًا كما تفعل السمكة الحقيقية. تُسجّل أسماك الروبوت هذا النوع من السلوك مُسبقًا. ^{[ 14 ]}

تُعدّ الحماية العسكرية وحماية البيئة البحرية من المجالات البحثية ذات الأهمية المتزايدة. ومع ازدياد تعقيد المهام، باتت المركبات الآلية تحت الماء عالية الأداء (AUVs) ضرورية. تتطلب هذه المركبات دفعًا سريعًا وقدرة على المناورة في اتجاهات متعددة. تتميز الأسماك الآلية بكفاءة أعلى من المركبات الآلية الحالية التي تعمل بالحركة، لأن الأسماك تُعدّ نموذجًا مثاليًا للمركبات الآلية المستوحاة من الطبيعة. ومثل الأسماك الحية، تستطيع الأسماك الآلية العمل في بيئات معقدة. فهي لا تقتصر على استكشاف أعماق البحار واكتشاف أنواع جديدة، بل يمكنها أيضًا إنقاذ وإنشاء منشآت تحت الماء. وعند العمل في بيئات خطرة، تُظهر الأسماك الآلية أداءً متميزًا مقارنةً بالآلات الأخرى. فعلى سبيل المثال، في منطقة الشعاب المرجانية، تستطيع الأسماك الآلية المرنة التكيف مع البيئة بشكل أفضل. وعلى عكس المركبات الآلية الحالية غير المرنة، تستطيع الأسماك الآلية الوصول إلى الكهوف والأنفاق الضيقة. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

إلى جانب إمكانياتها الهائلة في مجال البحث، تُتيح الأسماك الآلية فرصًا عديدة لإشراك الطلاب وعامة الجمهور. تُعدّ الروبوتات المُستوحاة من الطبيعة قيّمة وفعّالة، ويمكنها جذب الطلاب إلى مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات. وقد استُخدمت الأسماك الآلية كأدوات تعليمية مساعدة في جميع أنحاء العالم. فعلى سبيل المثال، انجذب آلاف الشباب إلى الروبوتات الشبيهة بسمك الكارب خلال معرض أُقيم مؤخرًا في حوض أسماك لندن. وقدّم العلماء والباحثون أنواعًا مختلفة من الأسماك الآلية في العديد من برامج التوعية، بما في ذلك مهرجاني العلوم والهندسة الأول والثاني في الولايات المتحدة الأمريكية، عامي 2010 و2012 على التوالي. وفي هذه الفعاليات، أُتيحت للزوار فرصة ليس فقط لمشاهدة الأسماك الآلية وهي تعمل، بل أيضًا للتفاعل مع أعضاء المختبر لفهم التكنولوجيا وتطبيقاتها. ^{[ 17 ]}