ديدن الديدان والرباطات والrobots الناعمة: كيف يلهم المخلوقات الصغيرة القفزات الكبيرة

最近، باحثون في Georgia Tech كشفوا عن إنجاز مثير: روبوت ناعم يبلغ طوله 5 بوصات يمكن أن يطلق نفسه 10 قدمات في الهواء – ارتفاع سلة كرة السلة – دون أي ساق. كان التصميم مستوحى من الديدان النematode الصغيرة، وهي ديدان مستديرة رقيقة مثل شعر الإنسان يمكن أن تقفز عدة مرات من طول جسمها.

من خلال تقريب جسمها في ثنيات مشددة، تخزن الديدان الطاقة المرنة ثم تطلقها فجأة، مما يؤدي إلى قفزها لأعلى أو لأسفل مثل لاعب جمباز. قام المهندسون بمحاكاة هذا الحركة. روبوت “SoftJM” هو أساسا قضيب سيليكون مرن مع عمود فقري من الكربون-الألياف. اعتمادا على كيفية انحناءه، يمكن أن يقفز إلى الأمام أو إلى الخلف – حتى بدون عجلات أو ساق.

في العمل، يلتوي روبوت الديدان المستوحاة مثل شخص يركض، ثم ينتفض لقفز. يظهر كاميرا عالية السرعة كيف يلتوي رأس الديدان ويتجعد في منتصف جسمه للقفز إلى الخلف، ثم ينتفض ويتجعد في ذيله للقفز إلى الأمام.

وجد فريق Georgia Tech أن هذه الثنيات المشددة – التي عادة ما تكون مشكلة في الأنابيب أو الكابلات – تتيح للديدان والروبوت تخزين الكثير من الطاقة. كما لاحظ أحد الباحثين، أن الأنابيب أو الكابلات المثنية تكون عديمة الفائدة، ولكن الديدان المثنية تعمل مثل ربيع محمل. في المختبر، روبوت ناعم أعاد إنتاج هذا الحيلة: “يضغط” منتصفه أو ذيله، ويتوتر، ثم يطلق في انفجار (حوالي عُشر من الألف من الثانية) ليطير في الهواء.

الروبوتات الناعمة في صعود

الروبوتات الناعمة هي مجال شاب ينمو بسرعة، غالبا ما يأخذ إشارات من الطبيعة. على عكس الآلات المعدنية الصلبة، تكون الروبوتات الناعمة مصنوعة من مواد مرنة يمكن أن تضيق، وتتمدد، وتتكيف مع محيطها. من بين الإنجازات المبكرة في هذا المجال Octobot من Harvard – روبوت مستقل مصنوع بالكامل من السيليكون والقنوات السائلة، بدون أجزاء صلبة، مستوحى من عضلات الأخطبوط. منذ ذلك الحين، بنى المهندسون مجموعة من الآلات الناعمة: من زحف الديدان والملقط الجليدي إلى بدلات “exo” القابلة للارتداء وروبوتات كالنباتات المتدفقة.

على سبيل المثال، أنشأ باحثون في Yale روبوتا مستوحى من السلاحف الذي يمكن أن يغير ساقيه بين ساقين لينة وثابتة، اعتمادا على ما إذا كان يسبح أو يمشي. في UCSB، صنع العلماء روبوتا شبيها بالكرمة الذي ينمو نحو الضوء باستخدام جلد حساس للضوء فقط – إنه يمدد نفسه فعلا من خلال الفضاءات الضيقة مثل ساق النبات. هذه والابتكارات الأخرى المستوحاة من الأحياء تظهر كيف يمكن للمواد الناعمة إنشاء أنماط حركة جديدة.

بشكل عام، يعتقد المؤيدون أن الروبوتات الناعمة يمكن أن تذهب إلى أماكن لا يمكن للروبوتات التقليدية الوصول إليها. يلاحظ المنظمة الوطنية للعلوم الأمريكية أن الآلات الناعمة التكيفية “تستكشف الفضاءات التي كانت غير متاحة للروبوتات التقليدية” – حتى داخل جسم الإنسان. بعض الروبوتات الناعمة لها “أجلود” قابلة للبرمجة تغير قساوتها أو لونها لتتناسب أو تتمسك بالأشياء. كما يبحث المهندسون في تقنيات الOrigami/Kirigami، والبوليمرات ذات الذاكرة الشكل، وغيرها من الحيل حتى تتمكن هذه الروبوتات من إعادة تشكيل نفسها أثناء الطيران.

هندسة الحركة المرنة

جعل روبوت ناعم يتحرك مثل حيوان يأتي مع تحديات كبيرة. بدون مفاصل صلبة أو محركات، يجب على المصممين الاعتماد على خصائص المواد والهندسة المبتكرة. على سبيل المثال، كان على قافز Georgia Tech أن يحتوي على عمود فقري من الألياف الكربونية داخل جسمه المطاطي لجعل عمل الربيع قويا بما فيه الكفاية. كما يصعب دمج الحساسات وأنظمة التحكم. كما يشير مهندسو Penn State، أن الإلكترونيات التقليدية صلبة وستجمد روبوت ناعم في مكانه.

لجعل روبوتهم الصغير القابل للزحف “ذكيًا،” كان عليهم نشر دوائر مرنة بعناية عبر الجسم حتى يتمكن من الانحناء. كما أن العثور على مصادر الطاقة يصعب: بعض الروبوتات الناعمة تستخدم مجالات مغناطيسية خارجية أو هواء مضغوط لأن حمل بطارية ثقيلة سيجعلها ثقيلة.

روبوتات الديدان الناعمة المستوحاة من Georgia Tech (الصور: Candler Hobbs)

تحدي آخر هو استغلال الفيزياء المناسبة. تعلم فريق الديدان-الروبوت أن الثنيات تساعد حقا. في أنبوب مطاطي عادي، يتوقف الثني سريعا عن التدفق؛ ولكن في ديدان ناعمة، يبني الضغط الداخلي ببطء، مما يسمح بثني أكثر قبل الإطلاق. من خلال التجربة مع المحاكاة ونمذجة بالونات ممتلئة بالماء، أظهر الباحثون أن جسمهم المرن يمكن أن يحتفظ بالكثير من الطاقة المرنة عندما ينحني، ثم يطلقها في قفزة سريعة. النتيجة مدهشة: من حالة السكون، يمكن للروبوت القفز 10 قدمات في الهواء، بشكل متكرر، ببساطة عن طريق ثني عموده الفقري. هذه الاختراقات – العثور على طرق لتخزين واطلاق الطاقة في المواد المطاطية – هي نموذجية للهندسة الروبوتية الناعمة.

القفزات والمرافقة في العالم الواقعي

ما هي هذه الروبوتات الناعمة جيدة لها؟ في المبدأ، يمكنها التعامل مع المواقف التي تكون خطيرة أو غريبة بالنسبة للآلات الصلبة. في مناطق الكوارث، على سبيل المثال، يمكن للروبوتات الناعمة الزحف تحت الأنقاض أو في المباني المحطمة للعثور على الناجين. أظهر فريق Penn State نموذجا لروبوت زاحف ناعم خاضع للتحكم المغناطيسي يمكن أن يتنقل عبر حطام ضيق أو حتى يتحرك عبر قنوات بحجم الأوعية الدموية.

في الطب، يمكن أن تسلم الروبوتات الناعمة الدقيقة الأدوية مباشرة في الجسم. في دراسة واحدة في MIT، تم التصور روبوت ناعم رقيق مثل خيط يطفو عبر الشرايين ويزيل الجلطات، مما قد يعامل السكتات الدماغية دون جراحة مفتوحة. كما يعمل علماء Harvard على بدلات ناعمة قابلة للارتداء – سترة قابلة للتضخم خفيفة الوزن ساعدت مرضى ALS على رفع كتفهم، مما حسّن فورا مدى حركتهم.

وكالات الفضاء تدرس أيضا القافزات الناعمة. يمكن أن تعلق العجلات في الرمال أو الصخور، ولكن روبوت قافز يمكن أن يطير فوق الحفر والكثبان. تتخيل NASA روبوتات قافزة جديدة للقمر والقمر الجليدي. في مفهوم واحد، روبوت كرة قدم بحجم الكرة يسمى SPARROW يستخدم انفجارات البخار (من الثلج المسلوق) للقفز لمسافات طويلة عبر أوروبا أو Enceladus. في الجاذبية المنخفضة لهذه الأقمار، يمكن أن يأخذ قفزة صغيرة روبوت مسافة طويلة جدا – يشير العلماء إلى أن قفزة روبوت واحد متر في الأرض يمكن أن تحمله لمسافة 100 متر في Enceladus. الفكرة هي أن عشرات من هذه القافزات يمكن أن تنتشر عبر السطح الأجنبي “بحرية كاملة للسفر” حيث ستتعثر روبوتات عجلة تقليدية. على الأرض، يمكن أن تساعد القافزات الناعمة المستقبلية في بعثات البحث والإنقاذ من خلال القفز فوق الأنهار، الطين، أو الأرض غير المستقرة التي ستوقف الروبوتات التقليدية.

الروبوتات الناعمة تعثر أيضا على عمل في الصناعة والزراعة. يشير NSF إلى أنها يمكن أن تصبح مساعدين آمنين في مصانع الأرض أو المزارع، لأنها تتوافق إذا كان هناك إنسان في الطريق. كما بنى الباحثون روبوتات ناعمة يمكن أن تلتقط الفواكه اللينة بدون كسرها. مرونة الآلات الناعمة تعني أنها يمكن أن تعمل في أماكن صغيرة أو مرنة جدا للآلات الصلبة.

في النهاية، يعتقد الخبراء أن الروبوتات الناعمة سوف تغير بشكل جوهري العديد من المجالات. من الديدان إلى البدلات القابلة للارتداء إلى قافزات القمر، تظهر هذه الخيط البحثي كيف يمكن لدراسة المخلوقات الصغيرة أن تؤدي إلى قفزات كبيرة في التكنولوجيا.