מאת: יעל הלפמן כהן
מודל חדשני של תנועת זחל, המבוסס על מבנה טנסגריטי, פורסם לאחרונה על ידי קבוצת חוקרים ישראלית בירחון האקדמי Biomimetics & Bionspiration.
שיתוף פעולה בין המהנדסים, הפרופ' עופר שי והדוקטורנט עומר עורקי מבית הספר להנדסה מכאנית באוניברסיטת תל אביב, וד"ר אורי בן חנן ממכללת אורט בראודה לפרופ' אמיר איילי מהמחלקה לזואולוגיה באוניברסיטת תל אביב, הניב מודל חדש של תנועת זחל, שאמנם נבנה בהשראת תנועת הזחל הביולוגי ומהווה מקור השראה לשיפור תנועת רובוטים, אך גם מצליח לספק תובנות חדשות לגבי תנועת הזחל.
תנועת הזחלים איטית וגופם רך, אך הם מדגימים צורת התקדמות יעילה וניידות מצוינת על משטחים קשים. הזחלים הם בעלי שלד הידרוסטאטי, המורכב ממערכת של שרירים המפעילים לחץ על הנוזל הפנימי של הזחל (ולא על עצמות כמו בשלד קשיח). במערכת זו, כל שריר שמתכווץ משפיע על כל השרירים האחרים (אם על ידי שינוי במתח שלהם ואם על ידי שינוי באורכם). לזחל מערכת שרירים מורכבת. בכל אחד מהפרקים של הזחל יש כ- 70 שרירים בודדים, כאשר לאורך הזחל, בין המקטעים השונים, מצויים שני שרירי אורך מרכזיים.
התנועה הבסיסית של הזחלים נוצרת כתוצאה מגל של כיווצי שרירים, המתחיל בקצה האחורי של הזחל ונע קדימה. בעבר נעשו ניסיונות למדל את תנועת הזחילה, אך רוב הניסיונות נעשה תוך שימוש באלמנטים קשיחים, המנוגדים לטבעו הרך של גוף הזחל.
המחקר הנוכחי מציע לתנועת הזחל מודל, שבו השליטה על רמת הרכות מושגת באמצעות שילוב חדשני של מבנה טנסגריטי בטופולוגיה ייחודית, הנקראת Assur tensegrity. מבנה טנסגריטי הוא מבנה המורכב משתי סדרות של אלמנטים: סדרת אלמנטים הנמצאים תמיד תחת עומסי לחיצה, וסדרת אלמנטים הנמצאים תמיד תחת עומסי מתיחה. כוחות המתיחה והלחיצה מאוזנים, כך שמבנה הטנסגריטי הוא יציב וסטטי.
מבנה טנסגריטי מאת Bob Burkhardt
שימוש בעקרונות הטנסגרירטי נפוץ בטבע, וניתן לראותו במערכות ביולוגיות בקנה מידה שונה, כגון במערכת השלד המחוברת לשרירים ולגידים. למרות שמבני טנסגריטי הם סטטיים בדרך כלל, ניתן ליישמם בתנועה רובוטית. התנועה מושגת על ידי שינוי אורך האלמנטים במבנה, כך שצורת הרובוט משתנה. האתגר המרכזי בשינוי צורה של מבנה טנסגריטי הוא לשמור על האיזון בין הכוחות הפנימיים של האלמנטים בזמן התנועה, על מנת לשמר את היציבות המבנית.
המודל נבנה באמצעות תוכנת MATLAB, כאשר הסימולציה מתארת תנועה דו ממדית של הזחל ומבוצעת באמצעות ייצוג של כל פרק בזחל על ידי מבנה דו ממדי של Tensegrity Assur, המורכב משני כבלים ובוכנה, המחוברים בין שני מוטות. הכבלים נמצאים תחת עומסי מתיחה אנלוגיים לשני שרירי האורך המרכזיים בזחל הביולוגי, ואילו הבוכנה נמצאת תחת עומסי לחיצה אנלוגית לנוזל הפנימי של הזחל.
המודל מראה התאמה לחלק גדול מהמאפיינים הביו-מכאניים של הזחל הביולוגי. כך למשל, הלחץ הפנימי בזחל הביולוגי אינו פונקציה של גודל הזחל. במהלך גדילתו של הזחל, גופו גדל פי 10,000 אך הלחץ הפנימי נשאר זהה. באותו אופן מדגים המודל המוצע אותם כוחות לחץ, ללא תלות בגודל המודל. המודל אף מצביע על מאפיינים חדשים בנוגע לתנועת הזחל. לדוגמא, במהלך המחקר התברר כי כוחות הכבלים לא משתנים במעבר בין מנוחה לזחילה באופן משמעותי, והחוקרים מסיקים כי כמות האנרגיה שמשקיע הזחל בזחילה אינה גבוהה משמעותית מהאנרגיה המושקעת בזמן מנוחה.
המחקר הוא דוגמא מצוינת לשיתוף פעולה של בסיסי ידע הנדסיים וזואולוגיים, שמצד אחד תורמים ידע ליישומים אפשריים בתחום הרובוטיקה ולשיפור תנועת רובוטים, ומצד שני תורמים להבנה הזואולוגית של תנועת הזחל.
למאמר
מודל חדשני של תנועת זחל, המבוסס על מבנה טנסגריטי, פורסם לאחרונה על ידי קבוצת חוקרים ישראלית בירחון האקדמי Biomimetics & Bionspiration.
שיתוף פעולה בין המהנדסים, הפרופ' עופר שי והדוקטורנט עומר עורקי מבית הספר להנדסה מכאנית באוניברסיטת תל אביב, וד"ר אורי בן חנן ממכללת אורט בראודה לפרופ' אמיר איילי מהמחלקה לזואולוגיה באוניברסיטת תל אביב, הניב מודל חדש של תנועת זחל, שאמנם נבנה בהשראת תנועת הזחל הביולוגי ומהווה מקור השראה לשיפור תנועת רובוטים, אך גם מצליח לספק תובנות חדשות לגבי תנועת הזחל.
תנועת הזחלים איטית וגופם רך, אך הם מדגימים צורת התקדמות יעילה וניידות מצוינת על משטחים קשים. הזחלים הם בעלי שלד הידרוסטאטי, המורכב ממערכת של שרירים המפעילים לחץ על הנוזל הפנימי של הזחל (ולא על עצמות כמו בשלד קשיח). במערכת זו, כל שריר שמתכווץ משפיע על כל השרירים האחרים (אם על ידי שינוי במתח שלהם ואם על ידי שינוי באורכם). לזחל מערכת שרירים מורכבת. בכל אחד מהפרקים של הזחל יש כ- 70 שרירים בודדים, כאשר לאורך הזחל, בין המקטעים השונים, מצויים שני שרירי אורך מרכזיים.
התנועה הבסיסית של הזחלים נוצרת כתוצאה מגל של כיווצי שרירים, המתחיל בקצה האחורי של הזחל ונע קדימה. בעבר נעשו ניסיונות למדל את תנועת הזחילה, אך רוב הניסיונות נעשה תוך שימוש באלמנטים קשיחים, המנוגדים לטבעו הרך של גוף הזחל.
המחקר הנוכחי מציע לתנועת הזחל מודל, שבו השליטה על רמת הרכות מושגת באמצעות שילוב חדשני של מבנה טנסגריטי בטופולוגיה ייחודית, הנקראת Assur tensegrity. מבנה טנסגריטי הוא מבנה המורכב משתי סדרות של אלמנטים: סדרת אלמנטים הנמצאים תמיד תחת עומסי לחיצה, וסדרת אלמנטים הנמצאים תמיד תחת עומסי מתיחה. כוחות המתיחה והלחיצה מאוזנים, כך שמבנה הטנסגריטי הוא יציב וסטטי.
שימוש בעקרונות הטנסגרירטי נפוץ בטבע, וניתן לראותו במערכות ביולוגיות בקנה מידה שונה, כגון במערכת השלד המחוברת לשרירים ולגידים. למרות שמבני טנסגריטי הם סטטיים בדרך כלל, ניתן ליישמם בתנועה רובוטית. התנועה מושגת על ידי שינוי אורך האלמנטים במבנה, כך שצורת הרובוט משתנה. האתגר המרכזי בשינוי צורה של מבנה טנסגריטי הוא לשמור על האיזון בין הכוחות הפנימיים של האלמנטים בזמן התנועה, על מנת לשמר את היציבות המבנית.
המודל נבנה באמצעות תוכנת MATLAB, כאשר הסימולציה מתארת תנועה דו ממדית של הזחל ומבוצעת באמצעות ייצוג של כל פרק בזחל על ידי מבנה דו ממדי של Tensegrity Assur, המורכב משני כבלים ובוכנה, המחוברים בין שני מוטות. הכבלים נמצאים תחת עומסי מתיחה אנלוגיים לשני שרירי האורך המרכזיים בזחל הביולוגי, ואילו הבוכנה נמצאת תחת עומסי לחיצה אנלוגית לנוזל הפנימי של הזחל.
המודל מראה התאמה לחלק גדול מהמאפיינים הביו-מכאניים של הזחל הביולוגי. כך למשל, הלחץ הפנימי בזחל הביולוגי אינו פונקציה של גודל הזחל. במהלך גדילתו של הזחל, גופו גדל פי 10,000 אך הלחץ הפנימי נשאר זהה. באותו אופן מדגים המודל המוצע אותם כוחות לחץ, ללא תלות בגודל המודל. המודל אף מצביע על מאפיינים חדשים בנוגע לתנועת הזחל. לדוגמא, במהלך המחקר התברר כי כוחות הכבלים לא משתנים במעבר בין מנוחה לזחילה באופן משמעותי, והחוקרים מסיקים כי כמות האנרגיה שמשקיע הזחל בזחילה אינה גבוהה משמעותית מהאנרגיה המושקעת בזמן מנוחה.
המחקר הוא דוגמא מצוינת לשיתוף פעולה של בסיסי ידע הנדסיים וזואולוגיים, שמצד אחד תורמים ידע ליישומים אפשריים בתחום הרובוטיקה ולשיפור תנועת רובוטים, ומצד שני תורמים להבנה הזואולוגית של תנועת הזחל.
למאמר
