آرش خواجه، مجری طرح در گفت‌وگو با ایسنا، «تحلیل و مدل‌سازی بایو "میمتیکی" حشرات با پاهای چسبنده» را عنوان این مطالعات نام برد و گفت: "بایو میمتیک" علم مدل‌سازی و الهام از طبیعت است. بعد از چندین میلیارد سال که موجودات زنده تکامل پیدا کردند، بسیاری از مکانیزم‌های بدنی آنها به طور طبیعی حذف و برخی مکانیزم‌ها در آنها شکل گرفته و اضافه شده است.

وی با تاکید بر اینکه در روند این تکامل هوشمندی زیادی صورت گرفته است، اظهار کرد: این تکامل می‌تواند به دلیل تغییرات ایجاد شده در ژنوم موجودات باشد و این هوشمندی موجب شد تا تکامل در دو جنبه "پایین‌ترین میزان مصرف انرژی" و "بهینه‌ترین حالت برای شکل گرفتن آن پدیده" صورت گرفته است. پدیده‌ای مانند راه رفتن انسان، دارای کمترین میزان خسارت و صدمه برای بدن، کمترین میزان مصرف انرژی، کمترین میزان خطر زیست محیطی برای انسان و بالاترین میزان بهره‌وری است.

این محقق ادامه داد: بر این اساس در این مطالعات در پردیس فنی دانشگاه تهران تحت سرپرستی دکتر محمود موسوی مشهدی استاد این دانشگاه تلاش شد تا نسبت به شبیه‌سازی حرکت حشراتی که می‌توانند از دیوار، سطوح ناهموار و ناصاف حرکت کنند و قادر به حرکت به سمت بالا بوده و یا از بالا به سمت پایین آویزان شوند، اقدام شد. از این رو در این پروژه "سوسک آمریکایی" انتخاب شد.

خواجه، اهمیت این شبیه‌سازی را استفاده از حرکات حشرات در توسعه سیستم‌های رباتیکی و مکانیکی دانست و ادامه داد: این کار نیاز دارد تا فرآیند حرکت این جاندار و یا حشره به طور کامل بررسی شود؛ چراکه هیچ‌گاه نمی‌توان تنها بر اساس دسترسی به فرمولاسیون ماده چسبنده حشرات اقدام به شبیه‌سازی کرد و نیاز به شناخت ماهیت این حشره داشتیم.

دانش‌آموخته دانشگاه تهران با اشاره به شبیه‌سازی مکانیزم استفاده از انگشت دست انسان در زمانی که از دیوار بالا می‌رود، با تاکید بر اینکه مشخص است که بدن نمی‌تواند با هر فرمی از دیوار بالا برود، اظهار کرد: از این رو نیاز است تا با بررسی جزئیات حرکات، مشخص شود که در هر شرایطی جاندار از کدام بخش از بدن خود استفاده می‌کند.

خواجه با بیان اینکه در این مطالعات ما نیز مطالعات گسترده‌ای بر روی حرکات سوسک اجرایی کردیم، خاطر نشان کرد: برای این منظور محیط آزمایشگاهی را به گونه‌ای ایجاد کردیم که بتوانیم مکانیزم حرکتی سوسک را هم در فضای باز و هم در فضای آزمایشگاهی شبیه‌سازی کنیم.

به گفته وی به منظور بررسی مکانیزم حرکتی بدن سوسک در فضای آزمایشگاهی، سیستمی طراحی شد تا سوسک بر روی صفحات مختلف راه برود. این سیستم به گونه‌ای طراحی شد که امکان تغییر شکل و زاویه سطح را داشته باشد، ضمن آنکه امکان تغییر شرایط آب و هوا، میزان رطوبت و سرعت باد در آن فراهم شده است.

خواجه با تاکید بر اینکه در حین حرکت سوسک بر روی این سطوح، از زوایای مختلف از آن فیلمبرداری شد، اظهار کرد: فیلمبرداری از 3 جهت بر حرکات سوسک زوم می‌شد و از این طریق حرکات پای سوسک، تغییر حرکات آن و اینکه در چه زاویه‌ای چه واکنشی نشان می‌دهد و در کجاها از قلاب و یا چسب موجود در پای خود استفاده می‌کند و نحوه ترکیب حرکات پاهای آن را مورد بررسی قرار دادیم.

به گفته محقق این طرح، در این مطالعات جزئیات ترکیب پاها، مکانیزم گام برداشتن، نوع حرکت مفاصل سوسک از زوایای مختلف مورد بررسی قرار گرفت و حرکات این حشره در شرایط مختلف شبیه‌سازی و با میزان رطوبت‌های مختلف آزمایش شد.

خواجه با بیان اینکه بر اساس داده‌های به دست آمده از این مطالعات متوجه شدیم که در چه زمانی سوسک از چه مکانیزمی برای حرکت استفاده می‌کند، گفت: در این مطالعات ما به جای سطوح طراحی شده، سوسک را بر روی شیشه قرار دادیم تا ببینیم این حشره تا چه زاویه‌ای بالا می‌رود، ضمن آنکه در یکی از آزمایشات به این جاندار زمانی که از سطح شیب‌دار بالا می‌رود، یک نیروسنج متصل کردیم تا ببینیم چه نیرویی اعمال می‌شود تا از سطح شیب‌دار بالا برود.

طراحی سیستمی برای تصویربرداری از حرکات سوسک

وی اضافه کرد: پس از هر دو هفته که فیلمبرداری صورت می‌گرفت، 3 تا 4 ماه بر روی این فیلم‌ها تحلیل صورت می‌گرفت و اسلاید به اسلاید تغییرات بدنی سوسک را مورد بررسی قرار دادیم.

این محقق دانشگاه تهران، با اشاره به سیستم‌های "تراکینگ" موجود برای شبیه‌سازی حرکات، افزود: این سیستم‌ها پس از دریافت حرکات مختلف، آن را شبیه‌سازی می‌کند، ولی این سیستم برای این مطالعات جوابگو نبود؛ چراکه وقتی از موضوعی تراک می‌شود، باید یک نقطه‌ای متضاد با سایر نقاط تعریف شود؛ از این رو ما در این مطالعات بدن سوسک را مارک کردیم و سپس سیستم تراکینگ اتوماتیک را بر روی بدن سوسک قرار دادیم تا حرکات این حشره را بگیرد.

مارک‌گذاری بر روی بدن سوسک برای سیستم تراکینگ

وی اضافه کرد: ولی مشکلی که وجود داشت، این بود که بعد از چندین فریم سیستم تراکینگ بنا به دلایلی همچون کم بودن نور، حرکات موجود در محیط را به جای نقطه کانونی بدن سوسک در نظر می‌گرفت؛ از این رو چندین ماه تلاش کردیم که این سیستم تصویربرداری را اتوماتیک کنیم که موفق نشدیم و در نهایت پس از 4 سال و نیم به سیستم تصویربرداری کنونی رسیدیم.

به گفته این محقق در حال حاضر یک سیستم ساده تصویربرداری برای برداشت حرکات حشرات در دنیا موجود است و این در حالی است که سوسک دارای 6 نقطه مفصلی بر روی 6 پا است و تصویربردای همزمان از 6 مفصل با سیستم‌های تراکینگ امکان‌پذیر نیست؛ چراکه در جاهایی که سوسک می‌خواهد تغییر مسیر دهد، به دلیل وجود 6 نقطه کانونی این نرم‌افزار خطا می‌دهد.

خواجه ادامه داد: برای حذف این خطاها جهت شبیه‌سازی حرکات انسان از طریق این نرم‌افزار، پین‌هایی بر روی مفاصل سوسک نصب کردیم و دوربین بر اساس سنسورهایی که دارد، اقدام به تصویر برداری پین‌های نصب‌شده کرد. این پین‌ها برای حشرات، بزرگ هستند و در ابعاد میکرو و نانو نیستند، ضمن آنکه دوربین‌ها نیز قابلیت دنبال کردن پین‌های با ابعاد نانو را ندارند.

این محقق، با بیان اینکه از آنجایی که کار فیلمبرداری از حرکات سوسک دستی صورت گرفت که بسیار زمان بر بود، ادامه داد: در تحلیل‌هایی که بر روی اسلایدهای به دست آمده داشتیم، تفاوت حرکات چندین سوسک را مورد بررسی قرار دادیم تا نتایج آزمایش‌های انجام شده از اعتبار مناسبی برخوردار باشد.

وی تاکید کرد: برای تصویربرداری از دوربین پرسرعت استفاده شده است.

یافته‌های نوینی که به دست آمده

خواجه، تعیین مکانیزم حرکت سوسک و ترکیب 6 پای آن زمانی که قلاب می‌شود را از دستاوردهای این مطالعات دانست و خاطر نشان کرد: تاکنون در دنیا محققان بر این باور بودند که شرایط حرکات پای حشرات 6 پا یکنواخت است، ولی ما دریافتیم که نحوه گام برداشتن این حشرات بسته به شرایط، متفاوت است. به این معنا با توجه به زاویه و شیب سطح، ترکیب حرکات پا تغییر خواهد کرد.

وی، این تغییر رفتار حشرات 6 پا را در این دانست که در دوره تکاملی، این حشره حس کرده است که اگر ترکیب حرکات پای خود را تغییر ندهد میزان مصرف انرژی افزایش خواهد یافت و یا بهره‌وری لازم را ندارد؛ از این رو به چسب بیشتری نیاز دارد و برای افزایش بهره‌وری از روش‌های دیگری استفاده کرده است.

خواجه، نحوه بالا و پایین کردن دست و پا در حرکت از سطوح مختلف را از دیگر یافته‌های این مطالعات نام برد و یادآور شد: تاکنون در منابع علمی نحوه استفاده از مکانیزم حرکت دست و پای حشرات 6 پا اعلام نشده بود. ضمن آنکه دریافتیم حرکت از یک سمت بدن به سمت دیگر نیازمند حرکتی ضروری است که تا به امروز محققان به آن توجه نکرده بودند.

وی با بیان اینکه انتهای دو پای جلوی حشراتی که از دیوار بالا می‌رود، دو چنگک وجود دارد و این چنگک‌ها در جاهایی آزاد و چسب را رها می‌کنند، افزود: علاوه بر آن فرکانس تکان خوردن حرکتی سوسک را با توجه به حرکات پاهای آن به دست آوردیم که در زوایای مختلف چه فرکانسی دارد.

مجری طرح با بیان اینکه در دنیا بر اساس حرکات سوسک ربات‌هایی ساخته شده است، گفت: ما در این پروژه مدل سازی کردیم تا بتوانیم از این داده‌های به دست آمده در طراحی سیستم‌های رباتیکی بهره ببریم.

به گفته این محقق، مهمترین یافته این مطالعات، پیدا کردن مکانیزم حرکتی سوسک است که از آن برای چسبندگی استفاده می‌کند.

دلایل تمرکز مطالعات بر روی سوسک

خواجه در پاسخ به این سوال که چرا در این تحقیقات از سوسک استفاده شد، در حالی که حلزون نیز این ماده چسبنده را در زمان حرکت رهاسازی می‌کند، پاسخ داد: ما باید حشراتی را انتخاب می‌کردیم که فراوانی داشته باشد، ضمن آنکه ما علاقه‌ای برای الهام گرفتن از حشره‌ای مانند حلزون در طراحی ربات نداریم، چون حشره کم سرعتی است و خصوصیاتی که مد نظر ما است را به ما ارائه نمی‌دهد، ضمن آنکه به میزان زیادی از چسب استفاده می‌کند.

وی حلزون را یک حشره بسیار پرهزینه برای حرکت توصیف کرد و یادآور شد: حلزون بعد از طی مسافت کوتاهی، تغذیه می‌کند تا مجدداً بتواند حرکت کند ولی ما در طراحی به دنبال یکسری خصوصیات هستیم. مثلاً ما برای شبیه‌سازی پرنده‌ها به دنبال تحلیل حرکات مرغ نیستیم که سیستم بدنی آن برای پرواز مناسب نیست.

خواجه با بیان اینکه در شبیه‌سازی، جاندارانی با حداکثر سرعت که کمترین میزان انرژی را نیاز داشته باشد و کمترین ماده مصرفی (چسب) استفاده کند، انتخاب می‌شود، اظهار کرد: سوسک در 80 درصد صعود خود از چنگک استفاده می‌کند و در جاهایی که گیر می‌کند، به ناچار از چسب خود بهره مند می‌شود و میزان چسبی که در این مواقع استفاده می‌کند، به اندازه‌ای ناچیز است که می‌تواند به مدت 3 روز تغذیه نکند و به حرکت خود ادامه دهد.

خواجه، عمر بالای سوسک آمریکایی را از دیگر دلایل استفاده از این حشره در مطالعات خود نام برد و افزود: سوسک با توجه به عمر بالایی که دارد، با شرایط محیطی و طبیعت سازگار شده است و در هر شرایطی می‌تواند زندگی کند و این امر نشان می‌دهد این حشره دارای کمترین میزان مصرف انرژی و طول عمر بالایی است.

چرا سوسک در زمان راه رفتن نیاز به چنگک و چسب دارد

این دانش‌آموخته دانشگاه تهران در خصوص اینکه چرا سوسک در زمان راه رفتن به چنگک و چسب نیاز دارد، توضیح داد: سوسک در زمان بالا رفتن از سطوح شیب‌دار نیاز به نیروی بیشتری دارد که از چنگک موجود در پاهای خود استفاده می‌کند.

وی با بیان اینکه چنگک سوسک در بدترین حالتی که امکان فرو بردن در سطح را نداشته باشد، باید به اندازه چندین میکرون در سطح فرو برود، یادآور شد: اگر سطحی مانند شیشه بسیار صاف و سخت باشد که امکان فرو بردن چنگک در آن نباشد، این حشره از چسب استفاده می‌کند و بالا می‌رود.

این محقق با بیان اینکه این چنگک بر روی هر 6 پای این حشره وجود دارد، اظهار کرد: شبیه‌سازی که منطبق بر این حرکت سوسک نباشد، مصرف انرژی آن مانند این موجود به تکامل کامل نرسیده است.

مطالعات دنیا بر روی شبیه‌سازی سوسک

این محقق دانشگاه تهران با اشاره به مطالعات شبیه‌سازی انجام شده در دانشگاه‌هایی چون برکلی، هاروارد (مطالعه بر روی حشره‌ای که پرواز می‌کند) و دانشگاه MIT (شبیه‌سازی حیوانات) و ناسا اشاره کرد.

وی فاز توسعه‌ای این مطالعات را طراحی و ساخت ربات‌هایی با الهام از حرکات سوسک در دوره پسا دکتری دانست و گفت: بخشی از مطالعات در ایران انجام خواهد شد.

خواجه، ساخت چنین ربات‌هایی را بسیار پر هزینه دانست و گفت: برای پروژه طراحی و ساخت ربات حشره در دانشگاه هاروارد، بودجه‌ای بالغ بر چند صد هزار دلار در نظر گرفته شد.

کاربرد مطالعات بایو میمتیک در جامعه علمی

محقق این طرح با تاکید بر اینکه مطالعات در این حوزه در لبه‌های دانش قرار دارد و یافته‌های آن نیز در پیشبرد علم بسیار مؤثر است، اظهار کرد: سوالی که در این زمینه مطرح می‌شود، این است که چرا از عصر حجر تا کنون همچنان از چرخ استفاده می‌شود؟ انسان یاد گرفته است که وقتی کسی ایده‌ای ارائه می‌دهد دیگر به سراغ کارهای نو نمی‌رود و این در حالی است که یکسری ایده‌ها هستند که تفکر و فناوری را توسعه می‌دهند و آینده را به جلو می‌برند.