بال زنبور به عنوان منبع الهام برای طراحی لولا های صنعتی و رباتیک

سپهر حاجعلی عراقی، آرمان طوفانی و محمد خورسندی دانشجویان مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک با گرایش طراحی کاربردی دانشگاه گیلان در پژوهشی در زمینه بیومکانیک طبیعت تقلید (biomimetics) به بررسی سیستم اتصال بال به بال زنبور به عنوان منبع الهام برای طراحی لولا های صنعتی و رباتیک پرداخته اند. در این پژوهش که با راهنمایی مرحوم پروفسور ابوالفضل درویزه از دانشگاه گیلان، مشاوره دکتر حامد رجبی و با همکاری پروفسور استانیسلاو گرب و دکتر علی خواهشی از دانشگاه کیل آلمان انجام شده آمده است:

سیستم های اتصال حیاتی ماهیتی همه گیر دارند. آن ها در درجه اول برای اتصال دائمی یا موقتی قسمت های مختلف بدن یک حیوان به یکدیگر یا به یک سطح مورد استفاده قرار می گیرند. اما تنها یک نوع از آن ها یعنی مکانیزم اتصال بال به بال در حشرات تحت بارگذاری های چرخه ای با فرکانس بالا کار می کند. مکانیزم های اتصال بال به بال حرکت بال های  جلو و عقب حشرات را همگام کرده و تداخل آیرودینامیکی آنها را به حداقل می رساند. همچنین، با همگام سازی بال های جلو و عقب، مکانیزم اتصال بال حشرات را قادر می سازد تا نیروی بالابر بیشتری تولید کنند. مکانیزم اتصال بال به بال در زنبور متشکل از سه بخش مختلف می باشد: (1) یک غشای مارپیچ در لبه عقب بال جلو (2) تعدادی قلاب در لبه جلویی بال عقب، که در یک ردیف چیده شده اند، و (3) یک رگه در لبه جلوی بال عقب، که در آن پایه قلاب ها قرار دارند. هرچند که مکانیزم های اتصال بال به بال عملکرد یکسانی دارند، ویژگی های ریخت شناسی (هندسی) آنها به طور قابل توجهی در گروه ها و گونه های مختلف حشرات متفاوت است. در این پژوهش رابطه بین ساختار هندسی، مواد سازنده و عملکرد مکانیکی مکانیزم های اتصال بال به بال نه گونه متمایز زنبور با استفاده میکروسکوپ اسکن الکترونی (SEM)، میکروسکوپ اسکن لیزری هم کانون (CLSM)، شبیه سازی روش های اجزای محدود، طراحی مفهومی کامپیوتری و پرینت سه بعدی بررسی شده است. نشان داده شده است که دوام مکانیزم اتصال از دو استراتژی مکمل حاصل می شود: (1) زاویه بین قلاب ها و غشا در هنگام اتصال و جدا شدن می تواند تنظیم شود، به طوری که تنش های ناشی از آن به حداقل برسد (2) ساختار خارج از صفحه، پایه نرم و نوک برجسته باعث کاهش استرس ایجاد شده در قلاب ها می شود، در عین حال قدرت اتصال را حفظ می کند. علاوه بر این، نشان داده شده است که فنریت، مقاومت مکانیکی بالا و رفتار نامتقارن با کاهش تمرکز تنش و به حداقل رساندن تأثیرات نیروهای بیش از حد پرواز، عملکرد مکانیزم های اتصال را بهبود می بخشد. علاوه بر این، یک ارتباط کمی بین انواع هندسی مکانیزم های اتصال و نیروهایی که تحت آنها در هنگام پرواز قرار دارند برقرار است. با الهام از مکانیزم های اتصال بال زنبور یک لولای مکانیکی چرخشی-کشویی که مقاومت در برابر کشش و فشار را دارد و همچنین می تواند به راحتی قفل یا باز شود ابتدا طراحی مفهومی و سپس با استفاده از پرینتر سه بعدی ساخته شده است. به عنوان نمونه، با استفاده از طراحی مفهومی یک تیغ اصلاح کارتریج، ما نشان دادیم که لولای طبیعت تقلید طراحی شده در این پژوهش می تواند در یک وسیله کاربردی روزمره مورد استفاده قرار گیرد و به یک تکنولوژی قابل فروش تبدیل شود. این لولا به ویژه می تواند کاربرد های رباتیک و صنعتی داشته باشد، جایی که جایگزینی آسان و سریع اجزای سازنده یک سیستم مکانیکی و همچنین وجود همزمان درجات آزادی چرخشی و کشویی از اهمیت بالایی برخوردار است. این اولین پژوهش طبیعت تقلید از این نوع است که رویکردهای حیاتی و مهندسی را تلفیق می کند.

این پژوهش در قالب دو مقاله بین المللی در دو ژورنال معتبر Acta Biomaterialia و  Advanced Scienceبا ضرایب تاثیر به ترتیب 7.24 و 15.84 به چاپ رسیده است.