تشريح زعانف سمكة المجداف يلهم تصميم روبوت مائي صامت

زعانف سمكة المجداف تلهم نوعاً أكثر هدوءاً من الروبوتات المائية

عندما بدأ عالم الروبوتات روب شيبرد العمل على روبوت مائي كبير مصمم للسباحة بصمت حتى لا يخيف الكائنات البحرية، بحث عن إشارات تصميمية في مكان غير متوقع: سمكة المجداف. هذه السمكة التي يبلغ طولها أمتاراً، والتي نادراً ما يصادفها البشر، تتحرك في الماء بزعنفة ظهرية تشبه الشريط وتتموج على شكل موجات. وقد اشتبه شيبرد في أن نظام الدفع المدفوع بالموجات هذا قد يُترجم إلى مبادئ هندسية لآلة تنزلق بدلاً من أن ترفرف بعنف.

لفهم السمكة بشكل أفضل، تواصل شيبرد مع ويلي بيميس، عالم أسماك متقاعد من جامعة كورنيل. وتذكّر بيميس، الأستاذ الفخري في علم البيئة وعلم الأحياء التطوري في كلية الزراعة وعلوم الحياة، أن شيبرد اتصل به معرباً عن اهتمامه بسمكة المجداف — وأخبره بيميس أن الاهتمام متبادل. وقد أطلق هذا التبادل القصير تعاوناً للتحقيق في أشعة الزعنفة الظهرية غير العادية لسمكة المجداف.

تشريح مبني على الدفع الموجي

سمكة المجداف حيوان لافت، بأجسام تشبه الشريط وتوزيع عالمي. لا يُعترف إلا بنوعين فقط، وهما يسكنان محيطات العالم على أعماق تصل إلى نحو 1000 قدم (305 أمتار). وهي ضخمة: يُقدَّر أن أكبر الأفراد يصل إلى نحو 8 أمتار، أو ما يقارب 26 قدماً، مما يجعل سمكة المجداف العملاقة أطول سمكة عظمية حية. ومع ذلك، تتغذى هذه العمالقة على قشريات صغيرة بدلاً من فرائس كبيرة.

زعنتها الظهرية تميزها. فهي تحتوي على مئات من الهياكل العظمية الشبيهة بالعظام تسمى أشعة الزعانف تنبثق من ظهر السمكة. هذه الأشعة لا تصلّب الزعنفة فحسب؛ بل تتحرك في تسلسل منسق، مما يخلق موجات على طول الغشاء الذي يربطها. تدفع الموجات المتنقلة السمكة إلى الأمام. والنتيجة هي شكل سلس ومستمر من الدفع يختلف تماماً عن الذيول المتذبذبة أو الأطراف المرفرفة التي تستخدمها أسماك أخرى كثيرة.

• يوجد نوعان معترف بهما من سمكة المجداف موزعان في محيطات العالم.
• يمكنها العيش على أعماق تصل إلى نحو 305 أمتار (1000 قدم).
• قد تصل سمكة المجداف العملاقة إلى نحو 8 أمتار طولاً، مما يجعلها أطول سمكة عظمية.
• يتكون نظامها الغذائي من قشريات صغيرة.
• تعمل مئات أشعة الزعنفة الظهرية معاً لإنشاء موجات دافعة.

نظرة أولى على أشعة زعانف تشبه عصا التحكم

تقدم دراسة جديدة نُشرت في 30 سبتمبر في مجلة Ichthyology and Herpetology أول وصف للتشريح وسلسلة العضلات التي تسمح لكل شعاع من أشعة زعنفة سمكة المجداف بالدوران بشكل مستقل في دائرة كاملة. وقد شُبّهت الحركة بعصا التحكم، وهي تمنح السمكة تحكماً دقيقاً ومتعدد الاتجاهات في الأشعة الفردية — وهي قدرة تساعد في تفسير كيف يمكن للزعنفة توليد مثل هذه الموجات المعقدة.

بيميس هو المؤلف الرئيسي للورقة. وشيبرد، أستاذ جون إف. كار للهندسة الميكانيكية في كلية دوفيلد للهندسة بجامعة كورنيل، هو مؤلف مشارك. وغابرييل أفونسو، الباحث الزائر السابق في مختبر بيميس والذي أصبح الآن طالب دكتوراه في معهد فرجينيا لعلوم البحار، هو المؤلف الأول.

تحكم مستقل على مستوى الشعاع الواحد

قدرة كل شعاع على الدوران في دائرة كاملة تعني أن الزعنفة ليست صفيحة سلبية. بل هي مصفوفة يتم التحكم فيها بنشاط من مئات العناصر المتحركة. ومن خلال ضبط اتجاه الأشعة الفردية، يمكن للسمكة تشكيل الموجة التي تنتقل على طول غشاء الزعنفة، وضبط الدفع الذي تنتجه. وبالنسبة للمهندسين، فإن هذا النوع من التحكم الموزع والدقيق جذاب: فهو يوحي بنظام دفع يمكن تعديله دون أجزاء متحركة كبيرة وصاخبة.

لماذا يصعب دراسة سمكة المجداف

لا يزال الكثير عن سمكة المجداف غامضاً، وصعوبة دراستها سبب رئيسي في ذلك. فعندما تموت السمكة، تميل أجسامها إلى التفتت إلى أجزاء، لذا فإن العينات السليمة نادرة. وهذا يجعل العمل التشريحي صعباً، ويساعد في تفسير لماذا ظلت الأسئلة الأساسية حول أشعة زعانفها دون إجابة لفترة طويلة. لذلك فإن الوصف التفصيلي لعضلات أشعة الزعانف في الورقة الجديدة يسد فجوة ملحوظة.

يضيف الموطن العميق للحيوانات عقبة أخرى. فهي تعيش على عمق مئات الأقدام تحت السطح، ونادراً ما تُرصد حية، كما أن حجمها وهشاشتها يعقدان جهود جمعها أو فحصها. وقد أتاح التعاون بين عالم روبوتات وعالم أسماك طريقاً للمضي قدماً: أسئلة هندسية حول الدفع أبرزت سمات تشريحية لم تكن موصوفة بالكامل، بينما قدمت بيولوجيا السمكة نموذجاً طبيعياً للروبوت.

من سمكة أعماق البحار إلى التصميم الهندسي

يكمن جاذبية سمكة المجداف في مجال الروبوتات في هدوئها. فالروبوت المائي الكبير الذي يتحرك بموجات متنقلة على طول زعنفة مرنة يمكن أن يعمل بحركات أقل مفاجئة وأقل استهلاكاً للطاقة، مما يقلل الاضطراب الذي يحدثه. وهذا مهم للمهام التي يكون هدفها مراقبة الحياة البحرية دون تغيير سلوكها. وقد تقترب مركبة تنزلق في الماء بحركة مستمرة تشبه الموجة من الاندماج في البيئة أكثر من مركبة تدفعها مراوح أو ألواح متذبذبة.

كما تُظهر سمكة المجداف أن مثل هذا النظام يمكن أن يعمل على نطاق واسع. فقد يصل جسم السمكة إلى عدة أمتار طولاً، ومع ذلك تظل زعنتها تنتج دفعاً فعالاً من خلال العمل المنسق لمئات الأشعة. وهذا يشير إلى أن المبدأ الأساسي يمكن توسيعه، وهو أمر ذو صلة بروبوت يوصف بأنه كبير.

ما قد يعنيه البحث للروبوتات البحرية

لا تقدم الدراسة روبوتاً منتهياً؛ بل تؤسس الأساس التشريحي الذي يمكن أن يوجه تصميمه. ومن خلال توثيق كيفية تعضّل كل شعاع من أشعة الزعنفة والتحكم فيه، يمنح الباحثون المهندسين قالباً يستلهمون منه. وقد تحاكي مركبة مستقبلية أشعة الزعنفة بعناصر يتم تشغيلها فردياً وتدور لتوليد موجة متنقلة. وقد يوفر مثل هذا التصميم التخفي والمناورة معاً، مما يسمح للروبوت بالتحويم أو الدوران أو التسارع عبر إعادة تشكيل الموجة بدلاً من تغيير سرعة المروحة.

لا تزال هناك أسئلة عملية يجب معالجتها. فبناء مئات العناصر الدوارة المستقلة في مركبة بحرية سيتطلب مشغلات قوية ومدمجة ونظام تحكم قادراً على تنسيقها. والبيئة المحيطية أكالة وغير متوقعة، ويجب أن يتحمل غشاء الزعنفة المرن الانحناء المتكرر. ومع ذلك، يُظهر النظام البيولوجي أن هذه التحديات قابلة للحل من حيث المبدأ: فسمكة المجداف تفعل ذلك منذ ملايين السنين.

كائن نموذجي للدفع الصامت

يؤكد البحث أيضاً على قيمة العمل متعدد التخصصات. فقد جلب شيبرد مشكلة هندسية — كيفية السباحة بهدوء على نطاق واسع — إلى بيميس، الذي جلب عقوداً من الخبرة في علم الأسماك. وقد أنتج جهدهما المشترك، مع أفونسو كمؤلف أول، وصفاً لتشريح أشعة الزعانف كان مفقوداً. وهو تذكير بأن بعض أكثر أفكار التصميم فائدة قد تكون مخبأة في كائنات نادراً ما تُرى ويصعب جمعها.

في الوقت الحالي، تظل زعنفة سمكة المجداف لغزاً بيولوجياً وإلهاماً هندسياً في آن واحد. وبينما يبحث علماء الروبوتات عن طرق لاستكشاف المحيط بأقل اضطراب ممكن، تقدم زعنفة السمكة الشريطية ومئات أشعتها الشبيهة بعصا التحكم نموذجاً مقنعاً — نموذجاً قد يساعد في نهاية المطاف الروبوتات المائية الكبيرة على السباحة بصمت مثل الكائنات التي صُممت لمراقبتها.

This article is based on reporting by Phys.org. Read the original article.