مقدمه:

دست انسان بسیار شگفت انگیز است و با آن کارهای زیادی از جمله برداشتن اشیا می‌توان انجام داد. ساخت یک دست مصنوعی دارای تمام این قابلیت‌ها بسیار چالش برانگیز است. در این فعالیت علمی سعی خواهیم کرد یک پنجه‌ی مصنوعی ساده با قابلیت بلند کردن اشیای کوچک بسازیم.

پیش‌زمینه:

دست انسان دارای پنج انگشت، هر کدام با چند مفصل است. این مفاصل توسط عضلات و تاندون‌ها کنترل می‌شوند. عضلات به تاندون‌ها نیرو وارد می‌کنند و تاندون‌ها نیز مفصل‌ها را خم می‌کنند. دست انسان مفاصل بسیار مختلفی دارد و به همین دلیل بسیار انعطاف پذیر است و به راحتی قابلیت انجام انواع کارها را دارد. انسان در کودکی استفاده از دستان خود را می‌آموزد و زمانی که بزرگ می‌شود دیگر نیازی به فکر کردن برای استفاده از دست خود ندارد.

مهندسان سال‌هاست که برای ساخت دست رباتیک تلاش می‌کنند، اما این کار بسیار دشوار است. دستاورد ما تا به اینجا ساخت دست‌های رباتیکی است که قابلیت انجام کاری خاص را دارند. به عنوان مثال یک پنجه‌ی رباتیک در یک کارخانه برای برداشتن یک جسم خاص و نصب بر روی اتومبیل طراحی می‌شود، اما همین پنجه توانایی بلند کردن یک توپ تنیس یا یک لیوان آب را ندارد! ساخت یک دست مکانیکی دارای توانایی‌های دست انسان چالش بسیار بزرگی است.

در این فعالیت علمی شما یک پنجه‌ی مصنوعی ساده با استفاده از چند نی و نخ خواهید ساخت. شکاف‌هایی در نی ایجاد خواهید کرد که به عنوان مفصل عمل خواهند کرد. همچنین نخ‌هایی از نی رد می‌کنید تا به عنوان تاندون عمل کنند. کشیدن نخ‌ها سبب خم شدن مفاصل می‌شود. شما می‌توانید با ساخت پنجه‌های مختلف، مثلاً پنجه‌ی ساده‌ی دو انگشتی با یک مفصل برای هر انگشت و یا یک دست شبیه دست انسان دارای چندین مفصل، بررسی‌های خود را انجام دهید.

مواد و وسایل مورد نیاز:

چند نی آشامیدنی پلاستیکی

 سوزن (هنگام کار با اشیای نوک تیز حتماً از یک بزرگتر کمک بگیرید.)

 نخ

 گیره‌ی کاغذ

 خمیر مدل سازی

 اشیایی کوچک برای برداشتن با دست مصنوعی

 قیچی

 انبرک (اختیاری)

 چند کش لاستیکی کوچک (اختیاری)

 لوله‌ی مقوایی دستمال کاغذی

آماده‌سازی:

تمام مواد و وسایل مورد نیاز خود را روی سطح کار قرار دهید. سطح کار باید فضایی مناسب برای ساخت و آزمایش دست مصنوعی داشته باشد.

روش کار:

در ابتدا یک انگشت می‌سازیم. با استفاده از قیچی (و کمک یک بزرگتر) یک سوراخ مثلثی در وسط یک نی ایجاد کنید. دقت کنید که نباید تمام عرض نی را ببرید. این شکاف باید امکان خم کردن نی را به شما بدهد اما پس از رها کردن نی باید به حالت اولیه‌ی خود بازگردد. این شکاف در واقع مفصل انگشت شماست.

 سر یک نخ را از سوراخ سوزن رد کنید و آن را به سوراخ گره بزنید.

 با دقت قسمت بالای شکاف روی نی را با سوزن سوراخ کنید. دقت داشته باشید که سوراخ باید در همان سمتی از نی باشد که شکاف وجود دارد نه در پشت آن. 

 سوزن را از داخل نی به سمت پایین ببرید تا از شکاف رد شود و از انتهای نی بیرون بیاید. برای این کار می‌توانید از یک انبرک استفاده کنید. (انبرک را می‌توانید از داخل شکاف یا از انتهای نی وارد کنید و نخ را بگیرید.) همچنین می‌توانید نی را به صورت عمودی نگه دارید و آن را تکان دهید تا سوزن به پایین برود.

 سوزن را تا جایی بکشید که ده سانتیمتر نخ از پایین نی بیرون بماند. این نخ به عنوان تاندون دست عمل می‌کند و به خم شدن آن کمک می‌کند. 

 انتهای دیگر نخ را ببرید و به اندازه‌ای نخ برای گره زدن از آن باقی بگذارید. دقت کنید گره‌ای که می‌زنید به اندازه‌ای بزرگ باشد که از سوراخ ایجاد شده با سوزن رد نشود.

 نخ را از سوراخ سوزن دربیاورید.

 انتهای نخ را به یک گیره‌ی کاغذ گره بزنید.

 اولین انگشت شما آماده است! پایه‌ی نی را با یک دست نگه دارید. با دست دیگر گیره‌ی کاغذ را بکشید. این کار سبب می‌شود نی در قسمت دارای شکاف خم شود، درست مانند خم شدن انگشت در قسمت مفصل. با این انگشت مصنوعی چه چیزهایی را می‌توان بلند کرد؟ اضافه کردن انگشت‌های دیگر چه کمکی در این کار خواهند کرد؟

 اکنون زمان ساخت انگشت‌های بیشتر رسیده است. با تکرار مراحل بالا حداقل یک انگشت دیگر بسازید. همچنین می‌توانید تصمیم بگیرید که هر انگشت چند مفصل داشته باشد. اگر انگشتی که می‌سازید چند مفصل دارد، می‌توانید از یک نخ برای کنترل کل انگشت (با گره زدن نخ در پایین آخرین مفصل) و یا از چند نخ مجزا برای کنترل هر مفصل استفاده کنید.

 انواع مختلف انگشت را بسازید و عملکرد آنها را بررسی کنید.

 اکنون زمان ساخت یک پنجه فرا رسیده است. طرح دستی که می‌سازید بر عهده‌ی خودتان است. به خاطر داشته باشید که لزوماً نباید دستی با پنج انگشت بسازید. به عنوان مثال می‌توانید یک پنجه‌ی دو انگشتی (مانند خرچنگ) یا یک پنجه‌ی سه انگشتی یا چهار انگشتی متقارن بسازید.

 سعی کنید چند انگشت را با هم ترکیب کنید. با استفاده از خمیر مدل سازی کف دست (پایه) را بسازید. (آن را دور پایه‌ی نی ها شکل دهید.) دقت داشته باشید که نباید انتهای نی‌ها با خمیر پوشیده شود تا بتوانید نخ‌ها را بکشید. استفاده از خمیر مدل سازی این امکان را به شما می‌دهد تا موقعیت و جهت انگشتان را نسبت به هم تغییر دهید.

 بسته به نوع خمیری که استفاده می‌کنید، ممکن است لازم باشد خمیر را خشک کنید تا بهتر عمل کند. (کار کردن با خمیر خیس سخت است.)

 پس از نصب انگشت‌ها روی خمیر سعی کنید با کشیدن نخ‌ها با دست مصنوعی کار کنید. احتمالاً نیاز به اعمال تغییراتی دارید تا دست به خوبی کار کند. به نظرتان چه تغییراتی سبب بهتر شدن عملکرد دست مصنوعی می‌شود؟

 اکنون سعی کنید با دست مصنوعی چند جسم کوچک را بلند کنید. به خاطر داشته باشید که دست شما از نی ساخته شده است و چندان قوی نیست، در نتیجه تنها می‌توانید اجسام سبک را با آن بلند کنید. (برای مثال بطری‌های پلاستیکی خالی)

 آیا دست مصنوعی‌تان در بلند کردن برخی اجسام بهتر عمل می‌کند؟ آیا می‌توانید دستی طراحی کنید که برای بلند کردن اجسام خاص باشد؟ مثلاً دستی برای بلند کردن اجسام استوانه‌ای مانند بطری‌ها و یا نوعی دیگر برای برداشتن اجسام کروی مانند توپ تنیس. به نظرتان طراحی دستی مانند دست انسان با قابلیت بلند کردن هر گونه جسمی چه مقدار دشوار است؟

آزمایش‌های تکمیلی:

کف دست مصنوعی خود را روی یک انتهای لوله‌ی مقوایی دستمال کاغذی نصب کنید و نخ‌های مربوط به انگشتان را از داخل لوله رد کنید. در این حالت یک پنجه با دسته دارید که می‌توانید از آن برای بلند کردن اجسام استفاده کنید!

 نی‌های پلاستیکی کمی لیز هستند و ممکن است برداشتن اجسام با آنها سخت باشد. سعی کنید این مشکل را حل کنید. به عنوان مثال چند کش لاستیکی کوچک را دور نی‌ها ببندید. این کار تأثیری در برداشتن اجسام دارد؟

مشاهده و نتیجه‌گیری:

در این فعالیت علمی باید توانسته باشید دستی مصنوعی بسازید که قابلیت بلند کردن اجسام سبک از جمله توپ پینگ پونگ، بطری پلاستیکی خالی و یا عروسک‌های کوچک را داشته باشد. ساخت دستی مصنوعی با قابلیت بلند کردن اجسام سنگین‌تر با استفاده از نی پلاستیکی و خمیر مدل‌سازی بسیار دشوار خواهد بود. اگر قصد ساخت دست محکم‌تری دارید، باید نی‌ها و خمیر مدل‌سازی را با مواد و ابزاری قوی‌تر جایگزین کنید. (برای مثال لوله‌ی پلاستیکی برای انگشت‌ها، کابل فلزی برای تاندون‌ها و یک پایه‌ی چوبی سوراخ دار برای کف دست.)

ساخت دستی مصنوعی که کنترل آن تنها با یک نخ باشد بسیار آسان است، اما در مقابل ساخت دستی با مفاصل زیاد که به صورت جداگانه کنترل می‌شوند بسیار دشوارتر است؛ اما دلیلی ندارد که آن را نسازید! به خاطر داشته باشید که دست انسان ساختار بسیار پیچیده‌ای دارد و مهندسان حرفه‌ای همچنان در حال تلاش برای ساخت دستی رباتیک با کارآیی مشابه با دست انسان هستند.

از آنجا که این فعالیت با موضوع طراحی مهندسی است، هیچ فرمول خاصی برای ساخت دست وجود ندارد. طرح‌های بسیار مختلفی وجود دارند که هیچ کدام کاملاً غلط یا درست نیستند. برخی از طرح‌ها کارآیی بهتری دارند؛ در صورتی که دست‌هایی مصنوعی با تعداد انگشت‌های مختلف ساخته‌اید، بررسی کنید که چه تعداد انگشت کارآیی بهتری دارد.