Bio-ilhomlantirilgan robotlarni yaratish: Ilg'or robototexnika uchun tabiatga taqlid qilish

Asrlar davomida insonlar ilhom uchun tabiatga yuzlanib kelganlar. Leonardo da Vinchining qush parvoziga asoslangan uchar mashinalaridan tortib, tikanli o'simliklardan ilhomlangan zamonaviy yopishqoq lentagacha, tabiat ko'plab innovatsion yechimlarni taqdim etadi. Bu ilhom robototexnikaga ham taalluqli bo'lib, bio-ilhomlantirilgan robototexnika, ya'ni robototexnikadagi biomimikriya sohasini yuzaga keltirdi. Bu soha tirik organizmlarning harakati, sezgilari va xulq-atvoriga taqlid qiluvchi robotlarni loyihalash va qurishga qaratilgan. Ushbu yondashuv muhandislarga murakkab muhitlarda harakatlana oladigan, qiyin vazifalarni bajara oladigan va dunyo bilan yangi va samarali usullarda o'zaro aloqada bo'la oladigan robotlarni yaratish imkonini beradi.

Bio-ilhomlantirilgan robototexnika nima?

Bio-ilhomlantirilgan robototexnika — bu biologiya, muhandislik va informatika fanlarini birlashtirgan fanlararo sohadir. U biologik tizimlarning tuzilishi va funksiyasini o'rganishni va so'ngra bu bilimlardan ushbu tizimlarga taqlid qila oladigan robotlarni loyihalash va qurish uchun foydalanishni o'z ichiga oladi. Asosiy tamoyil tabiiy yechimlarning negizidagi prinsiplarni ajratib olish va ularni robot dizayniga qo'llashdan iborat.

Ko'pincha qattiq tuzilmalar va oldindan dasturlashtirilgan harakatlarga tayanadigan an'anaviy robototexnikadan farqli o'laroq, bio-ilhomlantirilgan robotlar odatda moslashuvchan, adaptiv va energiya tejamkor bo'lishi uchun mo'ljallangan. Ular ko'pincha tirik organizmlarning murakkab harakatlari va sezgi qobiliyatlarini takrorlash uchun ilg'or materiallar, sensorlar va aktuatorlarni o'z ichiga oladi. Bu, ayniqsa, notekis yerlarda harakatlanish yoki to'siqlar bilan to'la muhitda ishlash kabi an'anaviy robotlar qiynaladigan sohalarda foydalidir.

Nega bio-ilhom? Afzalliklari va qo'llanilishi

Bio-ilhomlantirilgan robototexnika an'anaviy robototexnikaga nisbatan ko'plab afzalliklarni taqdim etadi, jumladan:

• Moslashuvchanlik: Biologik tizimlar o'zgaruvchan muhitga yuqori darajada moslasha oladi. Bio-ilhomlantirilgan robotlar ham shunga o'xshash moslashuvchanlikni namoyon etish uchun loyihalashtirilishi mumkin, bu ularga turli xil sharoitlarda samarali ishlash imkonini beradi.
• Samaradorlik: Evolyutsiya biologik tizimlarni energiya samaradorligi uchun optimallashtirgan. Bio-ilhomlantirilgan robotlar an'anaviy robotlarga qaraganda kamroq energiya sarflash uchun loyihalashtirilishi mumkin, bu ularni uzoq muddatli missiyalar uchun mos qiladi.
• Manevrchanlik: Ko'pgina biologik organizmlar, ayniqsa, qiyin muhitlarda ajoyib manevrchanlikni namoyish etadi. Bio-ilhomlantirilgan robotlar bu harakatlarga taqlid qilish uchun loyihalashtirilishi mumkin, bu ularga murakkab yerlar va bo'shliqlarda harakatlanish imkonini beradi.
• Yangi yechimlar: Tabiat ko'pincha insonlar hali o'ylab topmagan muhandislik muammolariga yechimlar taqdim etadi. Bio-ilhomlantirilgan robototexnika butunlay yangi robot dizaynlari va qobiliyatlarini rivojlantirishga olib kelishi mumkin.

Ushbu afzalliklar bio-ilhomlantirilgan robotlarni keng ko'lamli ilovalar uchun juda mos qiladi, jumladan:

Qidiruv va qutqaruv

Vayron bo'lgan binolar yoki suv bosgan hududlarda harakatlana oladigan robotlar qidiruv va qutqaruv operatsiyalari uchun juda muhimdir. Ilonsimon robotlar yoki hasharotlardan ilhomlangan uchar robotlar kabi bio-ilhomlantirilgan robotlar odamlar uchun juda xavfli yoki kirish imkonsiz bo'lgan joylarga kira oladi.

Misol: Karnegi Mellon universitetida ishlab chiqilgan ilon-robot falokat zonalarida omon qolganlarni topish uchun vayronalar va chiqindilar orasidan o'ta oladi. Bu robotlar ilonlarning to'lqinsimon harakatlariga taqlid qiladi, bu ularga tor joylardan siqib o'tish va to'siqlardan oshib o'tish imkonini beradi.

Atrof-muhit monitoringi

Suv sifati yoki havoning ifloslanishi kabi atrof-muhit sharoitlarini kuzatish ko'pincha qattiq yoki olis muhitlarda ishlay oladigan robotlarni talab qiladi. Baliqsimon robotlar kabi bio-ilhomlantirilgan suv osti robotlari katta suv havzalarini samarali nazorat qila oladi, hasharotlardan ilhomlangan uchar robotlar esa shahar hududlarida havo sifatini kuzatishi mumkin.

Misol: MIT tadqiqotchilari okeanda avtonom tarzda suzib, suv harorati, sho'rligi va ifloslanish darajasi haqida ma'lumot to'playdigan robot-baliqlarni ishlab chiqdilar. Bu robotlar energiya tejamkor va ko'zga tashlanmaydigan qilib yaratilgan bo'lib, dengiz muhitiga ta'sirini minimallashtiradi.

Tibbiy robototexnika

Bio-ilhomlantirilgan robotlar minimal invaziv operatsiyalarni bajarishi, dori-darmonlarni tananing maqsadli joylariga yetkazib berishi va reabilitatsiyaga yordam berishi mumkin. Masalan, hasharotlardan ilhomlangan mikro-robotlar bir kun kelib qon tomirlari orqali harakatlanib, dori-darmonlarni to'g'ridan-to'g'ri o'smalarga yetkazib berish uchun ishlatilishi mumkin.

Misol: Sakkizoyoq paypaslagichlaridan ilhomlangan yumshoq robotlar minimal invaziv jarrohlik uchun ishlab chiqilmoqda. Bu robotlar ichki organlarning shakliga moslasha oladi, bu esa jarrohlarga minimal to'qima shikastlanishi bilan yetib borish qiyin bo'lgan joylarga kirish imkonini beradi.

Ishlab chiqarish va tekshirish

Samarali hamkorlik qila oladigan chumolilar kabi hayvonlardan ilhomlangan robotlar ilg'or konveyer jarayonlarida ishlatilishi mumkin. Bio-ilhomlantirilgan robototexnikaning bir qismi bo'lgan to'da robototexnikasi konveyerlardagi buyumlarning harakatini optimallashtirishi, chiqindilarni kamaytirishi va umumiy ish jarayonini yaxshilashi mumkin.

Misol: Taqsimlangan robot tizimlari omborxonalarda chumolilarning jamoaviy samaradorlik uchun vazifalarni tashkil etishiga o'xshash tarzda qo'llaniladi. Alohida robotlar faqat inson mehnatiga yoki markazlashtirilgan boshqaruv tizimlariga tayanishdan ko'ra tezroq va aniqroq yuk jo'natish buyurtmalarini bajarish uchun hamkorlik qiladi.

Qishloq xo'jaligi

Robototexnika ekinlar salomatligini kuzatish, begona o'tlarni aniqlash va o'g'itlarni aniq qo'llash uchun ishlatilishi mumkin. Yomg'ir chuvalchanglariga o'xshash robotlar tuproqni yumshatishi, uning drenajini yaxshilashi va ozuqa moddalarini yetkazib berish samaradorligini oshirishi mumkin, bu bilan hosildorlikni oshirishga va kimyoviy moddalarga bog'liqlikni kamaytirishga hissa qo'shadi.

Misol: Qishloq xo'jaligi robotlari ekinlar salomatligi holatini real vaqtda baholash imkonini beruvchi sensorlar va tasvirlash texnologiyalari bilan jihozlangan. Ushbu ma'lumotlardan foydalanib, robot tizimlari atrof-muhitga ta'sirni minimallashtiradigan maqsadli muolajalarni avtonom ravishda qo'llashi mumkin.

Bio-ilhomlantirilgan dizaynlarning asosiy prinsiplari va misollari

Bio-ilhomlantirilgan robot dizaynida bir nechta asosiy prinsiplar keng qo'llaniladi:

Harakatlanish

Hayvonlarning harakatlanishiga taqlid qilish bio-ilhomlantirilgan robototexnikaning markaziy mavzusidir. Tadqiqotchilar yanada samaraliroq yuradigan, yuguradigan, suzadigan yoki uchadigan robotlarni ishlab chiqish uchun turli hayvonlarning yurishlari va harakatlarini o'rganadilar.

• Yuruvchi robotlar: Itlar va otlar kabi to'rt oyoqli hayvonlardan ilhomlangan yuruvchi robotlar notekis yerlarda harakatlanish va barqarorlikni saqlash uchun mo'ljallangan. Boston Dynamics'ning Spot roboti yura oladigan, yugura oladigan va zinadan chiqa oladigan to'rt oyoqli robotning yorqin namunasidir.
• Suzuvchi robotlar: Baliqsimon robotlar baliqlarning to'lqinsimon harakatlariga taqlid qilish uchun mo'ljallangan bo'lib, bu ularga samarali suzish va murakkab suv osti muhitida manevr qilish imkonini beradi. Bu robotlar ko'pincha turtki hosil qilish uchun moslashuvchan suzgichlar yoki to'lqinsimon tanalardan foydalanadi.
• Uchar robotlar: Hasharotlardan ilhomlangan uchar robotlar hasharotlarning qanot qoqishiga taqlid qilish uchun mo'ljallangan bo'lib, bu ularga havoda muallaq turish, tor joylarda manevr qilish va kichik yuklarni tashish imkonini beradi. Bu robotlar barqaror parvozga erishish uchun ko'pincha yengil materiallar va ilg'or boshqaruv algoritmlaridan foydalanadi.
• Ilon-robotlar: Ilon-robotlar ilonlarning harakatiga taqlid qiladi. Ular tor joylarda harakatlana oladi, to'siqlarga ko'tarila oladi va ko'pincha qidiruv-qutqaruv va sanoat tekshiruvlarida qo'llaniladi.

Sezish

Biologik organizmlar ko'rish, eshitish, hid bilish va teginish kabi keng ko'lamli sezgi qobiliyatlariga ega. Bio-ilhomlantirilgan robotlar ushbu qobiliyatlarga taqlid qiluvchi sensorlar bilan jihozlanishi mumkin, bu ularga atrof-muhitni yanada nozikroq idrok etish va u bilan o'zaro aloqada bo'lish imkonini beradi.

• Ko'rish: Bio-ilhomlantirilgan ko'rish tizimlari inson ko'zining tuzilishi va funksiyasiga taqlid qilishi mumkin, bu robotlarga obyektlarni aniqlash va kuzatish, yuzlarni tanish va murakkab muhitlarda harakatlanish imkonini beradi. Biologik ko'zlarning vizual ma'lumotlarni qayta ishlash usulidan ilhomlangan hodisaviy kameralar yuqori tezlikdagi robototexnikada qo'llaniladi.
• Eshitish: Bio-ilhomlantirilgan eshitish tizimlari inson qulog'ining tuzilishi va funksiyasiga taqlid qilishi mumkin, bu robotlarga tovush manbalarini aniqlash, nutqni tanish va atrof-muhitdagi nozik o'zgarishlarni aniqlash imkonini beradi.
• Hid bilish: Bio-ilhomlantirilgan hid bilish tizimlari hid bilish sezgisiga taqlid qilishi mumkin, bu robotlarga havo yoki suvdagi kimyoviy moddalarni aniqlash va identifikatsiya qilish imkonini beradi. Ushbu tizimlar atrof-muhit monitoringi, xavfsizlik va tibbiy diagnostika uchun ishlatilishi mumkin.
• Teginish: Bio-ilhomlantirilgan taktil sensorlar teginish sezgisiga taqlid qilishi mumkin, bu robotlarga obyektlarning shakli, tuzilishi va haroratini his qilish imkonini beradi. Ushbu sensorlar manipulyatsiya, yig'ish va inson-robot o'zaro ta'siri uchun ishlatilishi mumkin.

Harakatga keltirish (Aktuatsiya)

Aktuatorlar robotning mushaklari bo'lib, vazifalarni bajarish uchun zarur bo'lgan kuch va harakatni ta'minlaydi. Bio-ilhomlantirilgan aktuatorlar biologik mushaklarning tuzilishi va funksiyasiga taqlid qilishi mumkin, bu robotlarga yanada silliq, samarali va kuchli harakatlanish imkonini beradi.

• Pnevmatik aktuatorlar: Mushaklarning qisqarishi va kengayish usulidan ilhomlangan pnevmatik aktuatorlar kuch hosil qilish uchun siqilgan havodan foydalanadi. Bu aktuatorlar yengil, moslashuvchan va yuqori kuch hosil qila oladi.
• Gidravlik aktuatorlar: Pnevmatik aktuatorlarga o'xshab, gidravlik aktuatorlar kuch hosil qilish uchun bosimli suyuqlikdan foydalanadi. Bu aktuatorlar pnevmatik aktuatorlarga qaraganda kuchliroq va og'ir yuklar uchun ishlatilishi mumkin.
• Elektrofaol polimerlar (EAP): EAPlar elektr maydoniga duchor bo'lganda shakli yoki hajmini o'zgartiradigan materiallardir. Ushbu materiallardan yengil, moslashuvchan va energiya tejamkor sun'iy mushaklarni yaratish uchun foydalanish mumkin.
• Shakl xotirasi qotishmalari (SMA): SMAlar qizdirilganda oldindan belgilangan shaklga qayta oladigan materiallardir. Ushbu materiallardan ixcham, kuchli va ishonchli aktuatorlarni yaratish uchun foydalanish mumkin.

Bio-ilhomlantirilgan robototexnikaning kelajagi

Bio-ilhomlantirilgan robototexnika hayotimizning ko'p jabhalarini inqilob qilish salohiyatiga ega bo'lgan jadal rivojlanayotgan sohadir. Biologik tizimlar haqidagi tushunchamiz o'sishda davom etar ekan, kelajakda yanada murakkab va qobiliyatli bio-ilhomlantirilgan robotlarni ko'rishimiz mumkin.

Bio-ilhomlantirilgan robototexnikadagi ba'zi asosiy tendensiyalar quyidagilarni o'z ichiga oladi:

Ilg'or materiallar

Yengil kompozitlar, moslashuvchan polimerlar va o'z-o'zini tiklaydigan materiallar kabi yaxshilangan xususiyatlarga ega yangi materiallarning rivojlanishi yanada mustahkam va moslashuvchan bio-ilhomlantirilgan robotlarni yaratish imkonini bermoqda.

Sun'iy intellekt (SI) va Mashinaviy o'qitish (MO')

SI va MO' bio-ilhomlantirilgan robototexnikada tobora muhim rol o'ynamoqda, bu robotlarga tajribadan o'rganish, o'zgaruvchan muhitga moslashish va avtonom qarorlar qabul qilish imkonini beradi. MO' algoritmlari robot boshqaruvini optimallashtirish, sensor samaradorligini oshirish va yangi robotik xatti-harakatlarni rivojlantirish uchun ishlatilishi mumkin.

To'da robototexnikasi

To'da robototexnikasi murakkab vazifalarni bajarish uchun ko'p sonli oddiy robotlarni muvofiqlashtirishni o'z ichiga oladi. Hasharotlar va boshqa ijtimoiy hayvonlarning jamoaviy xatti-harakatlaridan ilhomlangan to'da robototexnikasi qiyin muammolarni hal qilish uchun kengaytiriladigan va ishonchli yondashuvni taklif etadi. Ushbu tizimlar atrof-muhitni xaritalash, resurslarni qidirish va taqsimlangan vazifalarni bajarish uchun foydali bo'lishi mumkin.

Yumshoq robototexnika

Yumshoq robototexnika moslashuvchan va deformatsiyalanadigan materiallardan foydalangan holda robotlarni loyihalash va qurishga qaratilgan. Sakkizoyoqlar va chuvalchanglar kabi hayvonlarning yumshoq tanalaridan ilhomlangan yumshoq robotlar o'z muhitining shakliga moslasha oladi, tor joylarda harakatlana oladi va odamlar bilan xavfsiz o'zaro aloqada bo'ladi. Bu robotlar ayniqsa tibbiy ilovalar, ishlab chiqarish va tadqiqotlar uchun juda mos keladi.

Bio-ilhomlantirilgan robototexnikadagi qiyinchiliklar

Katta salohiyatiga qaramay, bio-ilhomlantirilgan robototexnika bir nechta qiyinchiliklarga duch keladi:

• Murakkablik: Biologik tizimlar nihoyatda murakkab va ularning tuzilishi va funksiyasini robotda takrorlash muhim muhandislik muammosidir.
• Materiallar: Moslashuvchanlik, mustahkamlik va o'z-o'zini tiklash qobiliyatlari kabi biologik to'qimalarning xususiyatlariga taqlid qila oladigan materiallarni ishlab chiqish asosiy tadqiqot yo'nalishidir.
• Boshqaruv: Bio-ilhomlantirilgan robotlarning harakatlari va xatti-harakatlarini boshqarish qiyin bo'lishi mumkin, ayniqsa ko'p erkinlik darajalariga ega robotlar uchun. Aniq va muvofiqlashtirilgan harakatlarga erishish uchun ilg'or boshqaruv algoritmlari va sensorlarni birlashtirish texnikalari kerak.
• Energiya samaradorligi: Energiya tejamkor bo'lgan bio-ilhomlantirilgan robotlarni loyihalash uzoq muddatli missiyalar uchun juda muhimdir. Energiya sarfini minimallashtirish uchun aktuatorlar, sensorlar va boshqaruv tizimlarining dizaynini optimallashtirish zarur.
• Axloqiy mulohazalar: Bio-ilhomlantirilgan robotlar yanada murakkablashgani sari, ulardan foydalanishning axloqiy oqibatlarini hisobga olish muhimdir. Avtonomiya, xavfsizlik va maxfiylik kabi masalalarni diqqat bilan ko'rib chiqish kerak.

Dunyo bo'ylab bio-ilhomlantirilgan robotlarga misollar

Dunyo bo'ylab innovatsion bio-ilhomlantirilgan robotlar ishlab chiqilmoqda. Mana bir nechta misollar:

• Yevropa: Yevropa Ittifoqining "Horizon 2020" dasturi bir nechta bio-ilhomlantirilgan robototexnika loyihalarini, jumladan, hasharotlardan ilhomlangan uchar robotlar va tibbiy ilovalar uchun yumshoq robotlar bo'yicha tadqiqotlarni moliyalashtirgan. Sakkizoyoq qo'llaridan ilhomlangan OctoArm roboti Italiyada ishlab chiqilgan bo'lib, murakkab muhitlarda ushlash va manipulyatsiya qilish uchun mo'ljallangan.
• Osiyo: Yaponiyada tadqiqotchilar qidiruv-qutqaruv operatsiyalari uchun ilonsimon robotlar va keksalar parvarishi va yordamchi texnologiyalar uchun inson harakatlariga taqlid qiluvchi gumanoid robotlarni ishlab chiqmoqdalar.
• Shimoliy Amerika: Qo'shma Shtatlarda harbiy va sanoat ilovalari uchun to'rt oyoqli robotlar, shuningdek, okeanlarni tadqiq qilish uchun suv osti robotlari bo'yicha tadqiqotlar olib borilmoqda. MITning Cheetah roboti o'zining yugurish tezligi va chaqqonligi bilan mashhur.
• Avstraliya: Tadqiqotchilar Jeyms Kuk universiteti tomonidan yaratilgan Starbug roboti kabi bioxilma-xillikni boshqarishga yordam beradigan robotlar ustida ishlamoqda. Bu robot Buyuk To'siq rifi uchun katta xavf bo'lgan "tikanlar toji" dengiz yulduzini o'ldirish uchun ishlatiladi.

Xulosa

Bio-ilhomlantirilgan robototexnika dunyoning eng dolzarb muammolarini hal qilish uchun ulkan va'dalarga ega bo'lgan jadal rivojlanayotgan sohadir. Tabiatda topilgan zukko yechimlarga taqlid qilib, muhandislar har qachongidan ham moslashuvchan, samarali va qobiliyatli robotlarni yaratmoqdalar. Ushbu sohadagi tadqiqotlar va ishlanmalar rivojlanishda davom etar ekan, kelgusi yillarda yanada innovatsion va ta'sirchan bio-ilhomlantirilgan robotlarni ko'rishimiz mumkin. Robototexnikaning kelajagi shubhasiz tabiat bilan chambarchas bog'liq va imkoniyatlar haqiqatan ham cheksizdir.

Qidiruv va qutqaruv, atrof-muhit monitoringi, tibbiy muolajalar yoki ishlab chiqarish jarayonlari bo'ladimi, biomimikriya tamoyillari robotlar erisha oladigan chegaralarni qayta belgilashga tayyor. Ushbu yondashuvni qabul qilish dizaynlarning nafaqat innovatsion, balki tabiiy dunyo bilan uyg'unlashgan bo'lishini ta'minlaydi va barqaror hamda samarali yechimlarni taklif etadi.