فناوری "جرم - فنر" آینده ربات‌های دوپا را شکل می‌دهد
گروهی از پژوهشگران دانشگاه ایالتی اورِگون (OSU) در حال کار بر روی سیستمی بر مبنای نظریه‌ای با عنوان "جرم - فنر" هستند. پایه‌های این نظریه کم‌تر از یک دهه‌ی پیش بنیان‌گذاری شده است. این سیستم، دینامیک غیر فعال یک مجموعه‌ی مکانیکی را با یک کنترلر رایانه‌ای ترکیب کرده و امکان ساخت ربات‌هایی با امکان حفظ تعادل در شرایط سخت و راه رفتن بر روی سطوح ناهموار را فراهم می‌کند.
یافته‌ها در مورد بکارگیری نظریه‌ی "جرم - فنر" در ساخت ربات‌هایی با قابلیت راه رفتن برای نخستین بار توسط مهندسان آلمانی و پژوهشگران دانشگاه OSU در ژورنال IEEE Transactions on Robotics منتشر شده است. این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم، سازمان پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته‌ی دفاعی (DARPA) و سازمان "برنامه‌ی علم مرز انسانی" حمایت شده است.
فناوری‌های توسعه داده شده در دانشگاه OSU ثمره‌ی انجام مطالعات بسیار در مورد شیوه‌ی راه رفتن و دویدن انسان و حیوان است. این مطالعات با هدف یادگیری نحوه‌ی دستیابی حیوانات به تسلط در حرکت به همراه سطح بالایی از بازدهی انرژی صورت گرفته است. حیوانات با ترکیب ورودی‌های حسی به دست آمده از عصب‌ها، بینایی، ماهیچه‌ها و تاندون‌ها، حرکات خود را ایجاد می‌کنند. پژوهشگران فرآیند صورت گرفته در حیوانات را در ساخت سیستم رباتیک فعالی به کار گرفته‌اند.
این سیستم بسیار کارآمد است. آزمایشات صورت گرفته روی ربات ATRIAS که توسط این گروه و با استفاده از نظریه‌ی "جرم - فنر" ساخته شده، نشان می‌دهد که عملکرد این ربات از لحاظ بازدهی انرژی ۳ برابر بهتر از هر ربات دوپای دیگر با ابعادی مشابه انسان است.
جاناتان هِرست، یکی از اساتید دانشکده‌ی مهندسی مکانیک دانشگاه ایالتی اورگون و مدیر لابراتوار Dynamic Robotics این دانشگاه می‌گوید:
من اطمینان دارم که این سیستم، تاثیر شگرفی در آینده‌ی ربات‌های دارای پا خواهد داشت. ما در حقیقت به کمک این سیستم علوم پایه‌ای مرتبط با چگونگی راه رفتن انسان را نشان دادیم. اگرچه ربات‌های دارای پای دیگری نیز وجود دارند، اما در حقیقت هیچکدام از آن‌ها فیزیک حرکتی انسان یا حیوان را به صورت صحیح به نمایش نمی‌گذارند. ما بر این باوریم که این روش در بسیاری از ربات‌های دارای پا، عملکرد صحیحی را از خود به جا خواهد گذاشت. این روش مفهوم حرکت حیوانات دارای پا را حفظ می‌کند و با توجه به اینکه حیوانات عملکردی را از خود نشان می‌دهند که تا پیش از این در هیچ روش دیگری شاهد آن نبودیم، بنابراین می توان نتیجه گرفت که ما در مسیر صحیحی قرار گرفته‌ایم.
طبق گفته‌ی هِرست، فناوری کنونی تنها تصویری ناقص از آینده است. پس از رفع نواقص و مشکلات کنونی، ربات‌ها در بخش‌های مختلفی مانند نیروهای مسلح، نیروهای امداد، صنایع و خانه‌ها به کار گرفته خواهند شد و از فناوری حرکتی توسعه داده شده می‌توان برای کمک به افراد معلول نیز استفاده کرد.
دنیل رنجِوسکی، عضو اصلی گروه تحقیقاتی دانشگاه صنعتی مونیخ می‌گوید:
ربات‌ها در حال حاضر در تمرینات راه رفتن و حفظ تعادل به کار گرفته می‌شوند و اخیرا نیز شاهد عرضه‌ی اولین نسخه‌های تجاری استخوان بندی بیرونی هستیم. اما اکنون که با نحوه‌ی پیاده‌سازی ساز و کار راه رفتن انسان در ربات‌ها آشنا شده‌ایم؛ قادر به توسعهی کلاس جدیدی از ربات‌های پوشیدنی هستیم که به کاربر امکان بازیابی توانایی طبیعی خود در راه رفتن را می‌دهد.
اما طبق گفته پژوهشگران، این فناوری در حال حاضر محدودیت‌هایی نیز دارد. هِرست در این رابطه می‌گوید:
از نظر ما با گذر زمان به تدریج ربات‌های دارای پا آغازگر روند یکپارچه‌سازی ربات‌ها با زندگی روزمره‌ی انسان خواهند بود. براساس نمونه‌های مختلف مشاهده شده از حیوانات، می‌دانیم که امکان وقوع این روند وجود دارد. بنابراین رفع مشکلات مربوط به ربات‌ها اجتناب‌ناپذیر است. صنعت ربات در آینده می‌تواند به وسعت صنعت خودروسازی باشد.
پژوهشگران می‌گویند، شکل‌گیری و پیشرفت بخش زیادی از این روند بر اساس نظریه‌ی "جرم - فنر" خواهد بود. ربات‌های ساخته شده در دانشگاه OSU با هدف تقلید از حرکت “Spring-Legged” در حیوانات دوپا طراحی شده‌اند. با تفاوت‌هایی جزئی، ماهیچه‌ها، تاندون‌ها و استخوان‌ها ساختاری را شکل داده‌اند که قادر به اجرای بسیاری از حرکت‌های مطلوب است و در این بین نقش کنترل ارادی (آگاهانه) نظارت بر بخش‌های مختلف و کنترل عملکرد آن‌ها است. نتیجه‌ی کار ایجاد حرکت‌های بسیار نرم و روان است، در صورت درک ساز و کار این حرکات، می‌توان آن‌ها را به کمک نظریه‌ی "جرم - فنر" یا فناوری‌های دیگر روی ربات‌ها نیز پیاده‌سازی کرد.
ATRIAS رباتی در ابعاد انسان است که حرکات آن توسط ۶ موتور الکتریکی تولید می‌شود. انرژی مورد نیاز این موتورها توسط یک باتری لیتیوم پلیمری تامین می‌شود که ابعاد آن تقریبا مشابه یک بطری شیر به حجم نیم گالن (۱.۹ لیتر) است. بنابراین ابعاد باتری این ربات کوچک‌تر از منبع انرژی بسیاری از ربات‌های متحرک دیگر است. ATRIAS در برابر ضربات مقاوم بوده و قادر به حفظ تعادل خود در این شرایط است. همچنین این ربات امکان راه رفتن بر روی سطوح ناهموار را نیز دارد.
پژوهشگران می‌گویند:
این فناوری می‌تواند موجب بهبود عملکرد ربات‌های دارای پا شده و آن‌ها را از لحاظ بهره‌وری، چالاکی و توانمندی در حرکت روی گستره‌ی وسیعی از سطوح با حیوانات هم تراز کند.
در ادامه می‌توانید ویدئویی از عملکرد ربات ATRIAS را مشاهده کنید: