درس فريق دولي يضم المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL) (سويسرا)، وجامعة ديوك (الولايات المتحدة)، والمعهد العالي للتقنية (البرتغال) السباحة المتقطعة، المسماة «bout-and-glide»، باستخدام روبوت مستوحى من سمك الزرد. وفقًا للباحثين، فإن هذا النمط من السباحة، الذي يتناوب بين مراحل الدفع ومراحل الانزلاق، يستهلك طاقة أقل من السباحة المستمرة.
تحسين الأداء في استهلاك الطاقة يسمح بإطالة مدة تشغيل الروبوت وتقليل حمل بطاريته. الطبيعة سبقت في استكشاف هذا المسار: فالسباحة المتقطعة سلوك شائع لدى كائنات مائية بأحجام متنوعة للغاية، بما في ذلك يرقات سمك الزرد، وسمك تترا الأنف الأحمر، وكارب الكوي، وحتى الحيتان. يتناوب هذا النمط من السباحة بين مراحل قصيرة من تموج نشط للجسم والذيل، ثم مراحل انزلاق سلبي، مع بقاء الجسم مستقيمًا وانسيابيًا.
روبوت مستوحى من سمك الزرد
لدراسة هذه الآلية، طور الباحثون منصة روبوتية مستوحاة من يرقات سمك الزرد (ZBot). حجم الروبوت أكبر بـ 200 مرة من حجم اليرقة، بطول 80 سم وكتلة 2.8 كجم. يحتوي ذيله المرن على ستة مقاطع تُحرك بواسطة محركات سيرفو، بينما تضم رأسه وحدة تحكم مركزية تؤدي دور الجهاز العصبي، وكاميرات عالية الدقة، وأجهزة قياس للواط في الوقت الفعلي.
بنى فريقا المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان وجامعة ديوك أيضًا نموذجًا حوسبيًا عصبيًا يحاكي الدوائر العصبية لسمك الزرد. يعتمد النموذج على مولدات الأنماط المركزية (CPG)، التي تنتج إشارات إيقاعية للموجات، وعلى وحدة «بوابة الدفعة» (bout gate). تتراكم الأخيرة إشارات الدخل ولا تُطلق تموج الذيل إلا بعد تجاوز عتبة محددة، مما يكرر الإيقاع الطبيعي «دفعة نشطة، انزلاق سلبي». من خلال ضبط التردد، وسعة تذبذب الذيل، وعتبة هذه الوحدة، استطاع ZBot محاكاة عدة مشيات ليرقة السمك: سباحة مستقيمة بطيئة، وانعطافات معتادة، وانعطافات على شكل حرف «J». كما سمح النموذج بمحاكاة الاستجابة البصرية الحركية، الموجهة بالرؤية، في الروبوت وفي نسخته الرقمية التوأم، simZFish.
دور اللزوجة
تساءل الباحثون أيضًا عما إذا كانت هذه الميزة في توفير الطاقة تبقى قائمة في سوائل أكثر لزوجة، مثل تلك التي تتحرك فيها الكائنات الحية الدقيقة جدًا. رقم رينولدز، وهو كمية لا بعدية، يقارن أهمية قوى القصور الذاتي وقوى اللزوجة في جريان ما. تسبح الحيوانات الكبيرة، مثل الحيتان، بأرقام رينولدز عالية، بينما تتحرك يرقات سمك الزرد الصغيرة في نظام وسطي، يتأثر بقوة أكبر بالسحب اللزج.
لمحاكاة كائنات حية بأحجام مختلفة، قام الفريق بتعديل لزوجة السائل. تمت مقارنة السائل متوسط اللزوجة، بلزوجة 213.9 سنتي بواز، بصلصة تغطية الفواكه، بينما قورن السائل عالي اللزوجة، بلزوجة 457.0 سنتي بواز، بزيت تنظيف المكياج القياسي. في الأخير، كانت المسافة التي قطعها ZBot تعادل 1/30 فقط من المسافة التي قطعها في الماء العادي. في المقابل، تؤثر اللزوجة قليلاً على القدرة على الانعطاف: زاوية الانعطاف لكل دفعة تبلغ حوالي 60 درجة في الماء العادي وتبقى 45 درجة في السائل عالي اللزوجة.
فرضيتان حول توفير الطاقة
أكدت التجارب أن السباحة المتقطعة تقلل من استهلاك الطاقة عند جميع السرعات القابلة للتحقيق، سواء عند أرقام رينولدز العالية أو المنخفضة. في المقابل، تبلغ السرعة القصوى المحققة حوالي 60% من سرعة السباحة المستمرة، بسبب الدورة المحدودة من الدفعات والانزلاقات.
تُعزى الفرضية الأكثر شيوعًا لهذا الكسب إلى وضعية الذيل المستقيمة أثناء الانزلاق، مما يقلل السحب. يقترح الفريق تفسيرًا آخر، يسمى «كفاءة المشغلات»: قد تسمح السباحة المتقطعة لمحركات السيرفو في الروبوت، أو لعضلات السمكة، بالعمل في أنظمة أكثر كفاءة. وفقًا للباحثين، تتبع محركات السيرفو وعضلات السمك منحنى كفاءة على شكل حرف U مقلوب، يكون الأمثل فقط تحت حمل معتدل. عند السرعة المنخفضة، تحافظ السباحة المستمرة عليها في حالة تحت الحمل وقليلة الكفاءة، بينما تقرب دورة الدفعة-الانزلاق الحمل من هذا النطاق الأمثل.
يخلص المؤلفون إلى أن هذه النتائج يمكن أن توجه تصميم الروبوتات تحت الماء، والتي قد تعتمد نمطًا متقطعًا للرحلات بسرعات منخفضة أو متوسطة، ونمطًا مستمرًا لمناورات الطوارئ عالية السرعة.
