يحتوي مختبر المهندس الميكانيكي رافائيل زوفيري في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) على خزان ضخم مملوءٍ بمياه فيروزية، ومجموعة من المراوح القادرة على توليد رياح قوية، إضافة إلى روبوتات طائرة صغيرة منتشرة في المكان. 

لكن النجوم الحقيقية في هذا المختبر هي هذه الروبوتات، التي استوحيت من طيور البحر، مثل طائر البفن الأطلسي، الذي يستخدم جناحيه للطيران والسباحة في الوقت نفسه.

يقول زوفيري: "تحل هذه الطيور تحدياً بالغ الصعوبة، إذ تستطيع التحرك في الهواء والماء رغم الاختلاف الهائل في كثافة الوسطين".

حاول زوفيري وزملاؤه معرفة ما إذا كان بإمكانهم تطوير روبوت بحجم طائر قادر أيضاً على التحرك في كلا الوسطين والانتقال بينهما، وهو أمر لم ينجح أحد في تحقيقه من قبل.

يُحافظ تصميم جسم الروبوت المفتوح على توازنه المحايد في الماء، ما يعني أنه لن يطفو على السطح ولن يغرق إلى القاع، بل سيبقى ثابتًا في مكانه. (رافائيل زوفيري)

وفي دراسة نُشرت في مجلة "Science"، وصف الفريق تصميم روبوت جوي-مائي بأنه يزن نحو نصف رطل، ويبلغ طول جناحيه أقل بقليل من ثلاثة أقدام.

وتصفه غلينا كليفتون، عالمة أحياء متخصصة في حركة الحيوانات في جامعة بورتلاند، بأنه "روبوت رائع"، مشيرة إلى أنه يقدم رؤىً جديدة حول الخصائص التي تجعل طيران الطيور الغاطسة فريداً من نوعه.

ولا تقتصر أهمية الروبوت على الجانب البحثي، إذ يمكن أن يمتلك تطبيقات عملية متعددة، مثل مراقبة المحيطات الساحلية أو استكشاف الشعاب المرجانية النائية. فقد يتمكن الروبوت من الطيران إلى موقعٍ معين، مثل شعاب مرجانية أو مجموعة حيتان أو منطقة تشهد ازدهاراً للطحالب، ثم يغوص في المياه لجمع العيّنات والبيانات.

وترى كليفتون أن هذه الروبوتات المستوحاة من الطبيعة تساعد العلماء على فهم العالم الطبيعي والهندسة في آن واحد، قائلة: "البيولوجيا تلهم الروبوتات، لكن الروبوتات تُستخدم أيضاً لفهم البيولوجيا".

تصميم مستوحى من الطبيعة

استغرق تطوير الروبوت عامين. ويقول زوفيري إنه كان يعتقد في البداية أن تصميم جناح قادر على العمل بكفاءة في الهواء والماء "يبدو أمراً غير واقعي".

لكن الفريق واصل العمل، واعتمد في تصميمه على شكل جسم الطيور الغاطسة، مع إدخال بعض التعديلات الأساسية.

أولاً، قرر الباحثون الاستغناء عن الأرجل، لأن تصميم الأرجل في الروبوتات معقّد من ناحية البناء والتحكم والحركة. وبدلًا من ذلك، تساءلوا: "هل يمكن الانتقال من الماء مباشرة إلى الهواء باستخدام الأجنحة فقط؟".

أما التعديل الثاني فكان عدم استخدام أجنحة قابلة للطي كما لدى العديد من الطيور الغاطسة، لأن ذلك كان سيجعل التصميم أكثر تعقيداً، إذ يتطلب إضافة مفاصل ومحركات إضافية. وبدلًا من ذلك، اعتمد الفريق على مرونة الأجنحة نفسها.

ويبدو الروبوت النهائي بتصميم أنيق، إذ يحتوي جسمه المركزي الذي يضم المحرك والبطارية، على هيكلٍ مفتوح يسمح برؤية مكوناته الإلكترونية الداخلية.

ويخفق الروبوت بجناحيه بمعدل خمس إلى ست مرات في الثانية للحفاظ على الطيران. لكنه يحتاج عند الخروج من الماء والتحليق في الهواء إلى رفع سرعة حركة جناحيه إلى عشر مرات في الثانية لتوليد القوة والدفع الكافيين.

إحتسب الباحثون زوايا الإطلاق المثالية وحجم الأجنحة المناسب، وقدّروا أن الروبوت يستطيع، عند شحن بطاريته بالكامل، الطيران مسافة تقارب أربعة أميال (نحو 6.4 كيلومترات)، أو السباحة لأكثر من ميل (نحو 1.6 كيلومتر).

تطبيقات مستقبلية

يأمل زوفيري مستقبلًا في استخدام هذا النوع من الروبوتات لمجموعة واسعة من المهمات، مثل مراقبة ازدهار الطحالب الضارة، وتتبع أعداد الأسماك، ورصد تآكل السواحل.

ويخطط الفريق لتزويد الروبوت مجموعةً من أجهزة الاستشعار المدمجة لجمع البيانات من البيئة المحيطة.

كما يواصل الباحثون تحسين هذه الروبوتات الجوية-المائية، مستفيدين من التجارب الهندسية، لكن مع الحفاظ على الإلهام الأساسي من الطبيعة.