PROGRAMMA PRIN 2022 - Bأندو PRIN2022 D.D. N.104 DEL 2 فبراير 2022
TITOLO DEL PROGETTO: المحاكاة الدقيقة للسبّاحين الليّنين الهجناء الحيويون (ABYSS)
CODICE CUP: D53D23003410006
الميزانية: € 106.888
P.I.: Marco Donato de Tullio (جامعة بوليتكنيكو دي باري)
وحدات بحثية أخرى:
المدرسة العليا للدراسات الجامعية والتخصص Sant'Anna (الباحث الرئيسي: Antonio De Simone)
جامعة كالابريا (الباحث الرئيسي: Leonardo Leonetti)
يُعنى مشروع ABYSS البحثي بالمحاكاة العددية لسبّاحين ليّنين هجناء حيويين مستوحين من قناديل البحر. وينطلق المشروع من افتراض أن التمثيل الرقمي الشامل لحركة الروبوتات الليّنة لا يمكن تحقيقه عبر عزل الظواهر الفيزيائية المفردة. فعلى العكس من ذلك، ينشأ سلوك السباحة من التفاعل المعقد بين موجات الاستثارة التي تنتشر في النسيج النشط، وتشوه البنى اللينة، وديناميات المائع المحيط. وبناءً عليه، استهدف المشروع دمج هذه الآليات المتفاعلة تدريجياً ضمن إطار حاسوبي موحد.
تتمثل النتيجة الرئيسية المتوقعة لهذا البحث في أداة حاسوبية مرنة ودقيقة تتيح دراسة التفاعل بين المائع والبنية والفيزيولوجيا الكهربائية، وتكون قادرة على تقديم تنبؤات عالية الدقة بشأن الاقتران بين التشغيل والحركة في نماذج السباحين النابضين. وعلى وجه الخصوص، ينبغي للأداة، من خلال التركيز على دراسة الدفع المستوحى من قناديل البحر، أن تتيح فهماً متعمقاً للعلاقة بين ديناميات التنشيط وأداء السباحة. كما ينبغي أن تتيح الاستكشاف المنهجي لمعايير تصميم الكائنات الشبيهة بقناديل البحر الهجينة حيوياً، بما يدعم تحديد التكوينات الفعالة ويحد من الاعتماد على حملات تجريبية موسعة.
تم تحقيق الأهداف الإجمالية للمشروع. وقد طُوّرت منصة حاسوبية فعّالة لإجراء محاكاة متعددة الفيزياء عالية الدقة للسبّاحين النشطين اللينين، وذلك من خلال الجمع بين أساليب متقدمة للتفاعل بين الموائع والبنى والفيزيولوجيا الكهربائية. أتاح هذا الإطار إجراء محاكاة عالية الدقة لحركة قناديل البحر، مما مكّن من توصيف السلسلة العصبية-الميكانيكية بأكملها، بدءًا من التنشيط الفيزيولوجي الكهربائي، مرورًا بانقباض العضلات، وصولًا إلى التفاعل بين الموائع والبنى، كما ألقى الضوء على دور البنى العصبية العضلية المختلفة. واستُخدمت الأداة العددية لمحاكاة سلوك السباحة في ظروف مختلفة، مع الحفاظ في الوقت نفسه على مستوى من التجريد يضمن إمكانية تطبيقها بشكل عام، بما يتجاوز الكائن البيولوجي الواحد. وأُجري تحليل منهجي لتقييم تأثير أهم المعلمات الفيزيولوجية ومعلمات التحكم. كما أتاحت تحليلات متعمقة للتفاعل بين الجسم والدوامات توضيح الآليات الكامنة وراء توليد الدفع، بما في ذلك حالة التشغيل غير المتماثل، وهي سمة مميزة لاستراتيجيات الالتفاف والمناورة التي تتيح التحكم في الحركة. وأسفرت حملات المحاكاة أيضًا عن تحديد قوانين قياس تربط معلمات التشغيل الفيزيولوجي الكهربائي بأداء الحركة، موفرةً إرشادات كمية لتصميم الأنظمة الاصطناعية والتحكم فيها. وأخيرًا، وُسّعت الدراسة لتشمل محاكاة وتصميم أنظمة روبوتية لينة مستوحاة من الأحياء، مع تقييم مقاييس الأداء الأساسية، مثل كفاءة الدفع وكلفة النقل. واستنادًا إلى المعارف المكتسبة من تحليل حركة قناديل البحر الطبيعية، أتاحت عمليات المحاكاة تحديد حلول تصميمية مثلى في مجال الروبوتات الحيوية الهجينة.
ختامًا، أثبت مشروع ABYSS أن المحاكاة متعددة الفيزياء عالية الدقة يمكن أن توفر معارف عملية وأن توجه التصميم المنهجي للسبّاحين اللينين المستوحين من الأحياء. ومن خلال الجمع بين الخبرات في ديناميكا الموائع، وميكانيكا البنى الرقيقة، والفيزيولوجيا الكهربائية، والتحليل العددي، أنشأ الائتلاف إطارًا حاسوبيًا يسهل توسيعه ليشمل فئات أوسع من السبّاحين النشطين والروبوتات المائية القابلة للتشوه، مما يبرر مواصلة الأنشطة البحثية على المسارات التي أتاحها المشروع.
