محققان موفق به طراحی دست روباتیکی شدند که همانند انسان پیانو می‌نوازد


دانش و فناوری

سه شنبه 4 دی 1397


!= null? Model.Item1.TitleEn.TitleCorrector():Model.Item1.Title.TitleCorrector()

دست روباتیک جدیدی که توسط محققان طراحی شده است، می‌تواند پیانو بنوازد. البته انتظار نداشته باشید که این دست روباتیک مانند شوپن یا دبوسی برایتان پیانو بزند. دست روباتیک شاید بتواند سرود جینگل بلز را به‌شکل نسبتا مناسبی اجرا کند. 

دهه‌ها است که دانشمندان و مهندسان، در تلاش هستند تا بتوانند روبات‌‌هایی برای نواختن پیانو طراحی کنند. دست روباتیکی که اخیرا توسط دانشمندان طراحی شده است، تفاوت‌های بسیاری با تلاش‌های قبلی محققان دارد. این روبات می‌تواند کارهایی را انجام بدهد که معمولا دست واقعی انسان قادر به انجام آن‌ها است.

روبات‌های مخصوص نواختن پیانو که پیش از این توسعه یافته‌اند؛ بیشتر بر مبنای حرکت دست با موتور روباتیک طراحی شده‌اند. براساس اطلاعات منتشرشده در مقاله‌ی Science Robotics، روبات جدید طراحی متفاوتی دارد. در این روبات، انگشتان به‌صورت جداگانه به هیچ موتوری متصل نیستند. در عوض، یک بازوی مکانیکی ساده، کنترل مچ دست روبات را برعهده دارد و کل دست با الگوبرداری از آناتومی دست انسان طراحی شده است. جویس هیوز، محقق دانشکده مهندسی در دانشگاه کمبریج که نقش موثری در پیشبرد این پروژه داشته است، گفت:

هدف ما این است که از رویکردهای سنتی در ساخت دست روباتیکی فاصله بگیریم. در رویکردهای سنتی، موتور سیستم روباتیکی، کنترل کل دست را برعهده داشت که چنین طراحی مورد نظر ما نیست و می‌خواهیم در مقیاس دیگری کار کنیم.

باوجود اینکه دست روباتیکی طراحی‌شده توسط محققان، فاصله‌ی زیادی با دست هنرمندانی همچون شوپن یا دبوسی دارد؛ ولی همین دست روباتیکی توانایی اجرای موسیقی‌های مختلفی از جمله سرود معروف جینگل بلز (سرود قدیمی کریسمس) را دارد.

سیلیا لسچی، استاد مؤسسه‌ی بیوروباتیکی SSSA ایتالیا، که خودش در این پروژه حضور نداشته است، توسعه‌ی دست روباتیکی جدید را گامی مثبت در طراحی روبات‌های نرم (Soft Robots) می‌داند که از آناتومی بدن انسان الگوبرداری کرده‌اند. بی‌شک با پیشرفت محققان در این حوزه، روزی شاهد معرفی روبات‌هایی خواهیم بود که می‌توانند ازطریق تماس، محیط‌های طبیعی اطراف خود را کشف کنند یا حتی بیماری را تشخیص دهند. خانم هیوزو همکارانش با الهام گرفتن از دست انسان، ربات جدید را طراحی کرده‌اند. خانم هیوز در ادامه‌ی صحبت‌های خود گفت:

باید بدانید این تنها ذهن انسان نیست که هوشمند است، بلکه تمام اعضای بدن انسان هوشمند هستند. ساختار فیزیکی و مکانیکی در هوشمندی اعضای بدن انسان نقش دارند.

باتوجه‌به همین استدلال، اعضای تیم دست مکانیکی را به‌همراه استخوان‌ها و رباط‌هایی که در دست انسان وجود دارد، طراحی کرده‌اند. در ادامه‌ی تیم تحقیق به بررسی میزان سختی یا نرمی اجزای مختلف دست رباتیکی پرداختند. باتوجه‌به اینکه آن‌ها نمی‌خواستند به‌صورت مستقیم از موتور الکتریکی استفاده کنند، بررسی میزان سختی یا نرمی قسمت‌های مختلف دست، بسیار پیچیده بود. خانم هیوز در ادامه اضافه کرد:

هدف ما این بود که از توانایی و قدرت دست انسان، الگوبرداری کنیم. درنظر داشتیم روباتی طراحی کنیم که حرکات ظریف دست انسان را به‌نمایش بگذارد. 

محققان، با استفاده از چاپگر سه‌بعدی و پلاستیک سخت و همچنین استفاده از قطعات لاستیکی نرم، قسمت‌های مختلف دست روباتیکی از جمله رباط‌ها و مفاصل را با درجه‌ی سختی متفاوت، طراحی کردند. درنهایت، دست طراحی‌شده را به بازوی روباتیکی دیگری که معمولا در خطوط مونتاژ صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، متصل کردند. 

دست روباتیکی می‌تواند با سه نوع حرکت پیانو بنوازد: ضربه‌های تک انگشتی، باز و بسته شدن انگشتان و حرکت جهشی انگشت روی کیبورد (سُر دادن دست روی کیبورد). برای ارزیابی توانایی‌های روبات، محققان تصمیم گرفتند نواختن سه قطعه‌ی موسیقی مختلف را برعهده‌ی دست روباتیکی بگذارند. 

اولین قطعه‌ی موسیقی توکاتا (Toccata) بود که توسط آهنگساز ایتالیایی به‌ نام اسکارلاتی (Scarlatti) نوشته شده است و برای نواختن آن، باید نوازنده از انگشت اشاره کمک بگیرد و در برخی قسمت‌ها، دست روباتیکی باید بتواند چیره‌دستی از خودش نشان دهد. محققان دریافتند که نگه‌داشتن انگشت اشاره در برخی وضعیت‌‌ها کار ساده‌ای نیست و کاری که دست انسان در حالت طبیعی انجام می‌دهد، بسیار جالب توجه است. در نتیجه محققان برای اطمینان از عملکرد مناسب انگشتان دست، برخی مفاصل روباتیک را نرم‌تر و برخی را با سخت‌تر طراحی کردند تا انگشتان روبات بتوانند به‌خوبی روی کیبورد حرکت کنند. 

دست رباتیکی

در مرحله‌ی بعدی، محققان به‌سراغ قطعات موسیقی Alligator Crawl رفتند که توسط فیزول والر، پیانیست آمریکایی مورد استفاده قرار می‌گیرند تا بتوانند توانایی دست روباتیکی را در نواختن بین اکتاوهای مختلف بررسی کنند. در این مرحله دست روباتیکی باید می‌توانست روی کیبورد حرکت کند و از یک اکتاو به اکتاو دیگر برود. به‌همین منظور لازم بود لیگامان‌های دست روباتیکی در ناحیه‌ی بین انگشتان، استحکام لازم را داشته باشد تا بتواند نت‌‌های موسیقی را به‌درستی اجرا کند. 

درنهایت، تیم خانم هیوز باید انگشت شست را طراحی می‌کردند که پیچیدگی‌های خاص خودش را داشت. قطعه‌ی Rhapsody in Blue، مربوط‌به آهنگساز آمریکایی جورج گیرشوین به تیم تحقیقاتی کمک کرد تا بتوانند حرکات انگشتان و خصوصا انگشت شست روی کیبورد را طراحی کنند. در اصل دست روباتیکی باید بتواند گلیساندو را به‌نمایش بگذارد. گلیساندو، فنی در اجرای موسیقی است که در آن نوازنده، دست خود را روی ساز سُر می‌دهد تا بتواند بین‌ گام‌های موسیقی، حرکت کند و بنوازد. تیم تحقیقاتی متوجه شده بودند که اگر اتصالات انگشت شست با درجه‌ی مناسبی از سختی و نرمی طراحی شده باشد، دست روباتیکی می‌تواند به‌راحتی روی کیبورد سُر بخورد.

خانم هیوز، دست روباتیکی جدید را با روبا‌ت‌های قبلی مقایسه کرده است. وی معتقد است که دست روباتیکی جدید دارای قدرت انعطاف‌پذیری و کنترل بیشتری نسبت به مدل‌های قبلی است. در روبات جدید، انگشت شست و کل دست با توانایی‌های بیشتری روی ساز حرکت می‌کنند. در  اصل، دست روباتیکی می‌تواند استاکاتو را به‌نمایش بگذارد. در استاکاتو، نقطه‌ای در بالا یا پایین یک یا چند نت وجود دارد و ارزش زمانی نت‌ها با یکدیگر متفاوت است. در استاکاتو، وقتی نت نواخته می‌شود، زمانی هم به‌سکوت می‌گذرد. این روش در نقطه‌ی مقابل لگاتو قرار دارد؛ در لگاتو، نت‌های موسیقی به‌صورت پیوسته اجرا می‌شوند و همانند استاکاتو، دارای فاصله‌های زمانی سکوت نیست. 

خانم هیوز و تیم تحقیقاتی وی قصد دارند در آینده، حسگرها، موتورها و قطعات بیشتری برای دست روباتیکی درنظر بگیرند تا بتواند حرکاتی همانند دست انسان را که دارای تاندون است، از خود نشان دهد و درنهایت طیف گسترده‌ای از حرکات را به‌نمایش بگذارد. خانم هیوز درنظر دارد روباتی طراحی کند که واقعا بتواند پیانو بنوازد و نگران نرمی و سختی حرکات دست روی کیبورد نباشد. وی در ادامه‌ی صحبت‌های خود گفت:

قصد داریم به نقطه‌ای فراتر از اجرای صرف نت‌های موسیقی توسط روبات برسیم. قصد نداریم روباتی داشته باشیم که تنها نت‌ها را اجرا کند. نواختن پیانو، نوعی هنر است و در تلاش هستیم بتوانیم روباتی طراحی کنیم که بتواند پیچیدگی‌‌ها و هنرمندی که در دست انسان وجود دارد، به‌نمایش بگذارد.

منبع : zoomit