نحوه ی گام برداشتن میزان مصرف انرژی را تعیین می کند

ما انسان‌ها انتخاب نوع حرکت مانند راه رفتن یا دویدن را با تکیه بر احساس خود و به شکلی کاملا طبیعی انجام می‌دهیم. هر چند ما در هر بار تصمیم‌گیری در مورد گام برداشتن به دلیل انتخاب خود فکر نمی‌کنیم، یافتن این دلیل می‌تواند مهم باشد. به خصوص اگر به دنبال کپی برداری از سامانه‌ی حرکتی خود برای ساخت ربات‌های انسان نما باشیم. در صورتیکه مایل به کسب اطلاعات پیرامون شیوه‌ی مطالعه‌ی گام برداشتن هستید خواندن این مقاله از مجله‌ی فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی می‌تواند مفید باشد. با ما همراه باشید.

شبیه سازی گام برداشتن

چگونه نحوه‌ی گام برداشتن انتخاب می‌شود؟

انسان‌ها نوع گام برداشتن، دویدن یا راه رفتن، را به صورت طبیعی و بدون فکر انتخاب می‌کنند. انسان در سرعت‌های کم راه می‌رود و در سرعت‌های زیاد می‌دود. در حرکت روی تردمیل کاربر با سرعت کم و در نتیجه با راه رفتن ورزش را آغاز می‌کند. با افزایش سرعت نوار تردمیل راه رفتن با سرعت بیشتری انجام می‌شود. سرانجام پس از رسیدن به حالتی خاص راه رفتن کنار گذاشته شده و دویدن آغاز می‌شود. ورزشکار این تغییر را بدون فکر و تنها با اتکا به احساسی از درستی این تغییر انجام می‌دهد. این حرکت چنان در نظر ما عادی جلوه می‌کند که ایده‌ی ورزش پیاده روی سرعت یا Race walking در المپیک کمی عجیب به نظر می‌رسد.

این انتخاب غیر ارادی نحوه‌ی گام برداشتن در بسیاری حیوانات نیز رخ می‌دهد. برای نمونه اسب‌ها را در نظر بگیرید. اسب‌ها در سرعت‌های کم راه می‌روند. در سرعت‌های میانه یورتمه می‌روند؛ و در سرعت‌های بالا  چهار نعل می‌تازند. آیا تا کنون از خود پرسیده‌اید که چه چیز راه رفتن را به حرکت مناسب در سرعت‌های کم تبدیل کرده است؟ تصمیم به تغییر شیوه‌ی گام برداشتن چگونه رخ می‌دهد؟ فرد چگونه تشخیص می‌دهد که زمان این تغییر فرا رسیده است؟ چرا انسان مانند اسب حالت تاختن یا یورتمه رفتن را تجربه نمی‌کند؟ چه چیز در طبیعت راه رفتن، دویدن، یورتمه رفتن، تاختن و کلیه‌ی حالات گام برداشتن را تشکیل می‌دهد؟

مطالعه‌ی گام برداشتن

پژوهشگران گروه دکتر C. David Rem در آزمایشگاه علم رباتیک و حرکت (Robotics and Motion Laboratory یا RAM-Lab) در دانشگاه میشیگان به یافتن پاسخ سوالاتی از این دست علاقمند هستند. توجه به این سوالات با توجه به هدف نهایی این گروه، ساختن رباتی چابک و سریع با مصرف بهینه‌ی انرژی، طبیعی است. حل معمای گام برداشتن به شیوه‌های متفاوت می‌تواند به ساخت ربات‌هایی متحرک روی چند پا و ربات‌های انسان نما یاری رساند. آن‌چه برای حیوانات و انسان کاربرد دارد می‌تواند راه حلی قابل قبول برای ربات‌های نیز باشد. اما ضمانتی برای مفید بودن این روش حل مساله‌ی گام برداشتن وجود ندارد. پژوهشگران هنوز ایده‌ای جامع در مورد شکل نهایی دستگاه‌های گام برداشتن رباتیک ندارند. حتی در صورت طراحی این ابزار میزان کارآیی آن باید سنجیده شود.

نتایج شبیه سازی‌های گام برداشتن

پژوهشگران نشان داده‌اند که انتخاب شیوه‌ی گام برداشتن در طبیعت رابطه‌ای با میزان مصرف انرژی در هنگام حرکت دارد. این هزینه‌ی انرژی به معنای تعیین میزان انرژی لازم بر حسب کالری است که باید برای جابه‌جایی به اندازه‌ای مشخص مصرف گردد. این معیار اهمیت خاصی دارد چراکه در مورد بسیاری از حیوانات غذا منبع انرژی است و حرکت کارامد و بهینه کلید اصلی بقا است. پژوهشگران برای درک مفهوم گام برداشتن با پرداخت هزینه‌ی جابه‌جایی به میزان اکسیژن مصرفی حیوانات و انسان‌ها در هنگام گام برداشتن توجه می‌کنند. نتیجه‌ی این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که در سرعت‌های پایین راه رفتن، در مقایسه با دویدن، تلاش کمتری از سوی انسان می‌طلبد. در سرعت‌های بالا نیز دویدن تلاش کمتری از سوی انسان می‌طلبد. قانون مشابهی نیز برای اسب‌های در هنگام تاخت، یورتمه رفتن و راه رفتن برقرار است.

شبیه سازی گام برداشتن

برای درک سازوکار ذخیره‌سازی انرژی در حرکت ربات‌ها گروه دکتر Remy بهینه سازی‌های عددی خاصی  را در گستره‌ای وسیع انجام می‌دهد. این گروه ابتدا مدلی رایانه‌ای از رباتی صاحب پا می‌سازد. سپس از برنامه‌ی رایانه‌ای خواسته می‌شود که بهینه‌ترین نوع حرکت را بر اساس مصرف انرژی تعیین کند. رایانه با کاوش در مجموعه‌ی حالات ممکن گام برداشتن ، برای مدل تعریف شده، این حرکت را مشخص می‌کند.

نتایج این بهینه‌سازی‌ها بسیار جالب است. رایانه درکی از راه رفتن، دویدن، و به طور کلی گام برداشتن ندارد. با این وجود حالت بهینه‌ی این محاسبات به حالات گام برداشتن معمول در طبیعت شباهت بسیار دارد. در حقیقت محاسبات به هیچ نکته‌ی غیر عادی منجر نمی‌شود. ربات‌های دو پا برای حرکت در سرعت‌های کم و صرف حداقل انرژی باید راه بروند. ربات‌های چهارپا برای صرف کمینه‌ی انرژی در حرکت با سرعت‌های زیاد باید بتازند. لازم به ذکراست که این نتایج با وجود تفاوت‌های اساسی میان عملگرهای رباتیک و حیوانی بدست می‌آید.


در مجله‌ی فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی می‌خوانیم:

توسعه‌ی پروتزهای رباتیک برای کمک به حفظ تعادل در حین راه رفتن

اسکلت بیرونی چگونه موجب راه رفتن و تقویت فیزیکی افراد می‌شود


منبع: robohub

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی) مجاز است»

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

ExosNews on Telegram

ما را در تلگرام دنبال کنید!

مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی

عضویت در کانال تلگرام
بستن