לעוף כמו זבוב, לרקוד כמו דבורה

בסדרת הטלוויזיה "לזרוס הקר", עמה נפרד מהעולם הבמאי הבריטי דניס פוטר, חודר חרק רובוטי מעופף לחווילתה של מרטינה מסדון, בעלת מעבדות מחקר שמבקשת לפרוט את החוויות האצורות במוח אנושי משומר לאחוזי רייטינג, אך זה נמחץ בטרם הספיק למלא את משימת הריגול ששולחיו ייעדו לו.
העלילה של "לזרוס הקר" מתרחשת בשנה 2368, אך יש סיכוי טוב למדי שנחזה בחרקים רובוטיים מעופפים בימי חיינו. לשם כך, מדענים חוקרים חרקים ויונקי דבש בניסיון להבין את כללי האווירודינמיקה שמאפשרים להם לעוף.
ביולוגים ומדעני מחשב באוניברסיטת קליפורניה בברקלי פיתחו בארבע השנים האחרונות אב טיפוס ראשוני של רובוט זעיר, שזכה לכינוי "חרק מעופף מיקרו-מכני". יום אחד, מבטיחים המדענים, הרובוט הזעיר הזה יוכל לעוף כמו חרק.

המטרה: לפתח חרק מעופף

פרויקט החרק המעופף של אוניברסיטת קליפורניה הוא אחד מקומץ מיזמי מחקר שמיועדים לפתח התקנים רובוטיים שיכולים לעופף, לזנק ולרחף באמצעות כנפיים דקות, שטופחות באוויר בקצב קבוע ובדיוק שכמותו ניתן למצוא רק בטבע.
המיזמים השונים בתחום החרקים הרובוטיים נוקטים בגישות שונות אך המטרה של כולם זהה: להרכיב התקנים זעירים וקלי תנועה, שיכולים לרגל אחר סוכני אויב, לתור את פני הקרקע של מאדים או לעקוב אחר דליפות של חומרים כימיים מסוכנים.
הסוכנות לפרויקטים מחקריים מתקדמים במשרד ההגנה האמריקאי (DARPA) מממנת את רוב מיזמי המחקר בתחום זה בארה"ב, עקב הפוטנציאל של יישום הפרויקטים לצורכי ריגול ומעקב.
מדענים בברקלי ובמוסדות מחקר נוספים התקדמו רבות בשנים האחרונות בדרך להבין כיצד חרקים וציפורים עפים. האתגר הנוכחי שלהם הוא ליישם את הידע שצברו לטובת פיתוח התקנים רובטיים שמחקים חרקים במשקלם, גודלם, כוחם ומעל הכל – יכולתם האלגנטית לעופף.
"אנחנו מתמקדים בזבובים ומנסים להבין כיצד הם פועלים", אומר טים סנדס, פרופ' להנדסת מכונות ומדעי החומר באוניברסיטת קליפורניה. "זבוב יכול לשאת את משקלו ולפנות לצד במעופו במהירות רבה יותר מכל מטוס קרב משוכלל, אף אם כנפיו קרועות, ולסיים את המטס בנחיתה על התקרה". "כושר התמרון של חרקים הוא עצום", אומר החוקר רון פירינג, פרופ' להנדסת חשמל באוניברסיטת קליפורניה.

הפרויקט השאפתני ביותר

בתוך מעבדה מבולגנת בקמפוס, החוקרים נעזרים במלקטים כדי להרים את אב הטיפוס של החרק המכני שפיתחו. החרק הזה ראוי להתמודד על התואר פרויקט השאפתני ביותר בתחום החרקים הרובוטים המעופפים.
פיתוח החרק נמשך זה חמש שנים בעלות של 2.5 מיליון דולר, די הרבה עבור התקן במשקל נוצה שיכול להיכנס בכיס של מכנסיים. מוטת הכנפיים של החרק המעופף שווה בגודלה לקוטר מטבע של רבע דולר אמריקני.
חוקרי משרד ההגנה האמריקני חוזים עתיד שבו צבאות ישתמשו בחרקים הרובוטים במהלך קרב, לצורכי ריגול. המשאלה של מפקדים צבאיים להיות זבוב על הקיר במפקדה של אויביהם עשויה להתגשם.
"החרק הרובוטי יוכל לשמש כהרחבה של החושים האנושיים, כמו פריסקופ", אומר רוי קורנבלו, הנדסאי בחברת המחקר SRI, "אך בניגוד למשקפת של צוללות, החרקים האלה יעופו באופן עצמאי". SRI שותפה למשרד ההגנה האמריקאי במימון פרויקט בשם "מנטור", לבניית חרק רובוטי מעופף בעל ארבע כנפיים, באוניברסיטת טורונטו, קנדה.

מנטור - החרק הרובוטי המעופף הראשון

במהלך ניסוי שנערך בחודש פברואר, 2002, "מנטור" היה לחרק הרובוטי הראשון שריחף באוויר בהצלחה, והפגין קלות תנועה של דבורה. "מנטור" שוקל כ-450 גרם ואורכו 30 ס"מ בלבד. החוקרים מתכוונים לנסות לכווצו עד לגודל ומשקל של דבורה.
האתגר לבנות רובוט שיוכל לעוף באמצעות טפיחת כנפיו מורכבת ביותר אך החוקרים מתעקשים לעמוד בו, מאחר שלדעתם, יאפשר להם להרכיב חרקים רובוטיים שמעופפים מבלי לצרוך כמויות עצומות של אנרגיה.
"תעופה באמצעות טפיחת כנפיים יעילה יותר מבחינה אווירודינמית מכל שיטה אחרת כאשר מדובר בהתקנים זעירים", אומר מייקל דיקינסון, פרופ' לביולוגיה אינטגרטיבית בברקלי וחוקר שהשקיע שנים רבות בחקר דרכי התעופה של חרקים.
בעוד המשימה של בניית כנפיים טופחות עבור חרקים רובוטיים היא ברת השגה, פיתוח מוח רובוטי מתקדם דיו שינווט את החרק בתעופתו וישלוט בטפיחת הכנפיים בתחכום רב, שיאפשר לו להישאר זמן רב באוויר, הוא משימה קשה, אם לא בלתי אפשרית.

משימה בלתי אפשרית?

"החדשות הטובות הן שאנחנו יודעים מה הכנפיים צריכות לעשות. החדשות הרעות הן שאנחנו לא יודעים כיצד לעשות את זה", אומר פירינג. "ניקח למשל את זבוב הפירות", אומר דיקנסון, "הוא טופח בכנפיו 200 פעם בשנייה, ומסובב אותן בכל טפיחה בתזמון מורכב, שמבוסס על שלושה מנגנונים ביולוגיים שונים שמאפשרים לו להתרומם. בשמונה טפיחות ותוך 40 אלפיות שנייה, זבוב פירות יכול לשנות תעופתו לכיוון הנגדי".
פירינג חושש כי אם החרק הרובוטי המעופף ינסה לחקות את יכולת התעופה של זבוב הפירות, טווח הסטייה של הרובוט עשוי להגיע לשלוש טפיחות. אם יחמיץ את הטפיחה הרביעית, הוא עלול לאבד שליטה ולהתרסק.
רוברט מיכלסון, מנהל המחקר במכון המחקר הטכנולוגי של ג'ורג'יה, סבור כי בניית רובוט שנעזר בטפיחת כנפיו כדי לשמור על יציבות ושליטה היא משימה מורכבת מדי. בניגוד לפרויקט של אוניברסיטת קליפורניה, החרק הרובוטי "מנטור" נעזר בארבעה רכיבים אלקטרוניים דמויי סנפירים כדי לסייע לחרק לשמור על יציבות במהלך התעופה.
מיכלסון אומר כי הוא מפתח חרק רובוטי מעופף בשם "אנטומופטר", שיעופף בעזרת התפרצויות של גז, כדי לסייע לארבע הכנפיים של החרק במעופו. נאסא, סוכנות החלל האמריקנית, מגלה עניין בחרק ובוחנת אפשרות לשלבו במשימות על המאדים.
"עד שנוכל ליישם בפועל את עקרונות התעופה של החרקים על התקנים רובוטיים, נאלץ להשתמש בשיטות חלופיות כדי לסייע לחרקים רובוטים לעוף", אומר מיכלסון.

מטרה אחת - גישות שונות

מיזעור החרקים הרובוטים מהווה אתגר לא פשוט. החוקרים שמפתחים את "מנטור" באוניברסיטת טורונטו ניסו לגרום לרובוט שלהם לעוף לפני שמיזערו אותו. הצוות של אוניברסיטת קליפורניה נוקט בגישה ההפוכה ומנסה לכווץ את הרובוט שלהם עד לממדי חרק ורק לאחר מכן ינסו החוקרים לגרום לו לעוף. חוקרים אחרים אומרים כי יעד זה הוא שאפתני מדי.
מייגל גולדפרב, פרופ' להנדסת מכונות באוניברסיטת ונדרבילט, אומר כי המגבלות של סוללות שמספקות לחרקים אנרגיה והיכולת המוגבלת של טכנולוגיית הבינה המלאכותית שמשמשת להפעלת שרירים רובוטיים יקרקעו את החרקים רובוטיים בשנים הקרובות.
גולדפרב נכשל בניסיונו לבנות חרק רובוט מעופף יחד עם צוות המחקר שלו. "המסקנה שלנו מהמחקר היא שמשימה זו אינה ניתנת לביצוע באמצעות הטכנולוגיה העכשווית", הוא אומר.