הפיזיקה של ההתעמלות: ההצלחה של סימון ביילס
מתעמלים אולימפיים מבצעים אינטואיטיבית פעולות שרובוטים עדיין מתקשים בהן. האם אפשר לרתום את הביצועים של סימון ביילס לשדרוג רובוטים ומכונות?
המתעמלת האמריקנית בת ה-19 סימון ביילס, השולטת ללא עוררין במשחקים האולימפיים, התפרסמה בזכות תרגיל מסובך הקרוי על שמה ואשר הפך לסימן ההיכר שלה. מדובר בגלגול (סלטה) כפול בתנוחה מתוחה לחלוטין בשילוב עם חצי סיבוב במחצית הדרך באוויר - דבר שנראה לא-הגיוני מבחינה פיזיקלית. לדברי סיאראן מקינרני (McInerney), מאמן התעמלות ודוקטור בהנדסת ספורט, ביילס משיגה את הבלתי אפשרי כמעט - כאילו מישהו מרים אתכם מרגליכם כשאתם בתנוחת שכיבה על הרצפה, ומנער אתכם מבלי שאתם מכופפים שום חלק בגופכם, או הופך באוויר חפץ רך (כגון בובה) כשהוא נשאר ישר לחלוטין ואינו מתעוות.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן:
כואב יותר, קטלני יותר, עוקץ יותר
בזכות השילוב האידיאלי של מבנה גוף שרירי ומשקל קל (גובהה של ביילס 1.45 מ'), קל לה יותר לבצע את התרגיל מאשר למתעמלים כבדים. היא מתחילה את התרגיל כשזרועותיה מעל לראשה, מזיזה אותן כלפי מטה ואז מקשיתה את גבה. כך היא "מנמיכה" את עצמה עוד יותר ויכולה להגביר את מהירותה, מה שמסייע לה לבצע את הגלגול מהר יותר מאשר אילו שמרה על הגוף מתוח לחלוטין לכל אורך התרגיל. זה נותן לה זמן להשלים שני היפוכים מלאים, ומוסיף לה נקודות בציון הכללי בזכות הכנסת אלמנטים מקוריים לתרגיל.
כדי להבין זאת, נסו לדמיין שאתם יושבים על כיסא משרדי ומסובבים אותו. אם תתקפלו לצורת כדור, תסתובבו מהר יותר. וזוהי תמצית העניין: במהלך סיבוב, הגוף מאבד יציבות ורועד, אבל אם הגוף שלכם חזק דיו - כמו גופם של מתעמלים - תוכלו לשמור על יציבות. בזכות יחס מושלם בין חוזק למשקל בשל ממדיה הקטנים, ביילס יכולה לשמור על יציבות יוצאת דופן, כמעט כמו של מוט ברזל. ושוב, כדי להמחיש את העניין, נסו לדמיין שאתם זורקים באוויר בובה רגילה, שבאופן טבעי מתקפלת כשהיא מתגלגלת באוויר. לעומת זאת, אם מפרקי הכתפיים שלה יוחלפו בקפיצים, הבובה תשמור על יציבות, מכיוון שזרועותיה יהיו חופשיות יותר לנוע ולייצב אותה. זוהי דוגמה ל"מכונה פסיבית דינמית" - כזו שתנועותיה אינן דורשות אנרגיה, אלא מתבססות על כוח הכבידה ועל כוח ההתמדה. אפשר לשקלל את כל הגורמים הללו לכדי משוואה מתמטית מסובכת למדי.
לבסוף נשאלת השאלה: האם אפשר ליישם את המתמטיקה המסובכת הזאת ברובוט, כך שיוכל לבצע את תרגיל ביילס, או חשוב יותר - יוכל להחליף בני אדם בביצוע פעולות מוטוריות מורכבות בחיי היומיום? המדען שבנה את הבובה הקפיצית שתיארנו, רוברט פלייטר (Playter), מנהל "גוגל רובוטיקה", פיתח בשעתו רובוט היכול לבצע גלגול ונעזר בדינמיקה פסיבית כדי להימנע מסיבובים מיותרים; אולם הרובוט הזה עובד קשה מדי מבלי "להבין" מה הוא עושה, בניגוד למתעמל. במילים אחרות, יש מעין נקודה בלתי נראית שמתעמלים חשים אותה ויכולים להגיב אליה, אבל עדיין לא מצאנו את הנוסחה שתאפשר להעתיק את ההבנה הזאת למכונה.
בחיים האמיתיים לא תמיד יש זמן לחישובים מסובכים. יצורים חיים פותרים בעיות באופן אינטואיטיבי, שקשה לשלבו במערכת הדמיה. אם נוכל לבטא באופן כמותי את הדבר הבלתי נראה שאומר לנו איך לנוע ומתי, אולי נוכל לממש את היכולת הזאת כדי לבנות רובוטים שיוכלו לא רק לבצע מטלות מוטוריות שהם מונחים לבצע, אלא גם להשתפר תוך כדי ביצוען. זו תהיה פריצת דרך אמיתית בתחום הרובוטיקה.
ד"ר עידו מגן, בתר דוקטורט במכון ויצמן למדע וכותב באתר מכון דוידסון
לפנייה לכתב/ת 
