ديدان، ومفاصل، وروبوتات لينة: مخلوقات صغيرة تلهم قفزات عملاقة

أعلن الباحثون في Georgia Tech مؤخرًا عن إنجازًا مثيرًا للإعجاب: روبوت لين يبلغ طوله 5 بوصات يمكن أن يلقف نفسه 10 أقدام في الهواء – ارتفاع سلة كرة السلة – دون أي أطراف. تم تصميمه مستوحى من الديدان الخيطية المتواضعة، ديدان صغيرة مستديرة أرق من شعر الإنسان يمكن أن تقفز عدة مرات من طول جسمها.

من خلال ثني جسدها في انحناءات مشددة، تخزن الديدان الطاقة المرنة ثم تطلقها فجأة، تطلق نفسها في الهواء أو إلى الخلف مثل لاعب جمباز أكروباتي. قام المهندسون بمحاكاة هذا الحركة. روبوت “SoftJM” في الأساس قضيب سيليكوني مرن مع عمود فقري من الألياف الكربونية. اعتمادًا على كيفية انحناءه، يمكنه القفز إلى الأمام أو إلى الخلف – حتى بدون عجلات أو أطراف.

في العمل، يلتف روبوت الديدان المستوحى مثل شخص يركع، ثم ينبسط بشكل عنيف للقفز. يُظهر كاميرا عالية السرعة كيف يلتف رأس الديدان وينحني في منتصف جسمها للقفز إلى الخلف، ثم يُستقيم وينحني في الذيل للقفز إلى الأمام.

وجد فريق Georgia Tech أن هذه الانحناءات الضيقة – التي تمثل عادة مشكلة في الأنابيب أو الكابلات – تسمح في الواقع للديدان والروبوت بتخزين المزيد من الطاقة. كما لاحظ أحد الباحثين، فإن القش الألياف أو الأنابيب المنحنية عديمة الفائدة، ولكن ديدان منحنية تعمل مثل ربيع محمل. في المختبر، قام روبوت لين بمحاكاة هذا الحيلة: “يضغط” منتصفه أو ذيله، يتوتر، ثم يطلق في انفجار (حوالي عُشر مللي ثانية) ليتأرجح في الهواء.

روبوتات لينة على الارتفاع

تعتبر الروبوتات اللينة مجالًا شابًا ولكن ينمو بسرعة، غالبًا ما يأخذ إشارات من الطبيعة. على عكس الآلات المعدنية الصلبة، يتم تصنيع الروبوتات اللينة من مواد مرنة يمكن أن تُضغط وتُمد وتتكيف مع محيطها. تشمل المعالم المبكرة في هذا المجال Octobot من Harvard – روبوت مستقل مصنوع بالكامل من السيليكون وقنوات السوائل، بدون أجزاء صلبة، مستوحى من عضلات الأخطبوط. منذ ذلك الحين، بنى المهندسون مجموعة من الآلات اللينة: من زحافات شبيهة بالديدان إلى مخلب شبيه بالجلد وروبوتات لينة متحركة وروبوتات لينة شبيهة بالكرمة.

على سبيل المثال، أنشأ باحثو Yale روبوتًا لينًا مستوحى من السلحفاة الذي تتحول ساقاه بين المخلبين المتراخيين والأرجل الصلبة حسب ما إذا كان يسبح أو يمشي. في UCSB، صنع العلماء روبوتًا شبيهًا بالكرمة الذي ينمو نحو الضوء باستخدام فقط “الجلد” الحساس للضوء – إنه يمدد نفسه حرفيًا من خلال فراغات ضيقة مثل ساق النبات. تُظهر هذه والابتكارات المستوحاة من البيولوجيا الأخرى كيف يمكن أن تخلق المواد اللينة طرقًا جديدة للحركة.

بشكل عام، يعتقد المؤيدون أن الروبوتات اللينة يمكن أن تذهب إلى أماكن لا يستطيع الروبوتات التقليدية الوصول إليها. تشير مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية إلى أن الآلات اللينة التكيفية “تستكشف فراغات كانت سابقًا غير قابلة للوصول من قبل الروبوتات التقليدية” – حتى داخل جسم الإنسان. تتمتع بعض الروبوتات اللينة بأجسام برمجة يمكن أن تغير قوة أو لونها للامتزاج أو لمس الأشياء. كما يبحث المهندسون في تقنيات الأوريغامي/كيريجامي، وبوليمرات ذاكرة الشكل، وحيل أخرى حتى تتمكن هذه الروبوتات من إعادة التكوين أثناء الطيران.

هندسة الحركة المرنة

جعل روبوت لين يتحرك مثل حيوان يأتي مع تحديات كبيرة. بدون مفاصل صلبة أو محركات، يجب على المصممين الاعتماد على خصائص المواد والهندسة الخبرية. على سبيل المثال، كان على روبوت القافز من Georgia Tech أن يتضمن عمودًا فقريًا من الألياف الكربونية داخل جسمه المطاطي لجعل عمل الربيع قويًا بدرجة كافية. كما أن دمج الحساسات وأنظمة التحكم صعب. كما يشير مهندسو Penn State إلى أن الإلكترونيات التقليدية صلبة وستجمد روبوتًا لينًا في مكانه.

لجعل روبوتهم الصغير القابل للزحف “ذكيًا،” كان عليهم نشر دوائر مرنة بعناية عبر الجسم حتى يتمكن من الانحناء. حتى العثور على مصادر الطاقة يصبح أكثر صعوبة: يستخدم بعض الروبوتات اللينة مجالات مغناطيسية خارجية أو هواء مضغوط لأن حمل بطارية ثقيلة سيثقلها.

روبوتات لينة مستوحاة من الديدان من Georgia Tech (الصور: Candler Hobbs)

عقبة أخرى هي استغلال الفيزياء المناسبة. تعلم فريق روبوت الديدان أن الانحناءات تساعد في الواقع. في أنبوب مطاطي عادي، يتوقف الانحناء بسرعة عن التدفق؛ لكن في ديدان لينة، يبني الضغط الداخلي ببطء، مما يسمح بمزيد من الانحناء قبل الإطلاق. من خلال التجربة مع المحاكاة ونماذج بالونات المائية، أظهر الباحثون أن جسمهم المرن يمكن أن يحتوي على الكثير من الطاقة المرنة عندما ينحني، ثم يطلقها في قفزة سريعة. النتيجة مدهشة: من حالة السكون، يمكن للروبوت القفز 10 أقدام عالية، بشكل متكرر، ببساطة عن طريق ثني عموده الفقري. هذه الاختراقات – العثور على طرق لتخزين واطلاق الطاقة في المواد المطاطية – هي نموذجية للهندسة الروبوتية اللينة.

قافزون ومساعدين حقيقيون

ما هي جميع هذه الروبوتات اللينة جيدة لها؟ في المبدأ، يمكنها التعامل مع مواقف خطيرة أو غير مريحة للآلات الصلبة. في مناطق الكوارث، على سبيل المثال، يمكن للروبوتات اللينة الزحف تحت الأنقاض أو في المباني المنحطمة للعثور على الناجين. أظهرت Penn State نموذجًا لروبوت زاحف لين يُسيطر عليه مغناطيسيًا يمكنه التنقل في حطام ضيق أو حتى التحرك من خلال قنوات بحجم الأوعية الدموية.

في الطب، يمكن أن تسلّم الروبوتات اللينة الدقيقة الأدوية مباشرة في الجسم. في دراسة واحدة في MIT، تم التصور روبوت لين رفيع مثل خيط يطفو عبر الشرايين ويزيل الجلطات، مما قد يعالج السكتات الدماغية دون جراحة مفتوحة. يعمل علماء Harvard على روبوتات لينة قابلة للارتداء أيضًا – سترة قابلة للتضخم خفيفة الوزن ساعدت مرضى ALS على رفع كتفهم، مما يحسن فورًا مدى حركتهم.

وكالات الفضاء تبحث أيضًا في القافزين اللينين. يمكن أن تعلق العجلات على الرمال أو الصخور، ولكن روبوت قافز يمكن أن يطير فوق الحفر والكثبان. تخيل NASA حتى قافزين جدد للقمر والأقمار الجليدية. في مفهوم واحد، سيكون هناك روبوت كرة قدم بحجم الكرة يُسمى SPARROW سوف يستخدم انفجارات البخار (من الثلج المغلي) للقفز على بعد أميال عديدة عبر أوروبا أو إنسيلادوس. في الجاذبية المنخفضة لهذه الأقمار، يذهب قفزة صغيرة إلى مسافة طويلة جدًا – يشير العلماء إلى أن قفزة روبوت بمتر واحد على الأرض يمكن أن تحمله مائة متر على إنسيلادوس. الفكرة هي أن عشرات هذه القافزين يمكن أن تنتشر عبر التضاريس الأجنبية “بحرية تامة للسفر” حيث ستتوقف روفرات ذات عجلات. على الأرض، يمكن أن تساعد القافزين اللينون في будущًا في مهام البحث والإنقاذ بالقفز فوق الأنهار أو الوحل أو الأرض غير المستقرة التي ستوقف الروبوتات التقليدية.

تجد الروبوتات اللينة أيضًا عملًا في الصناعة والزراعة. تشير مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية إلى أنها يمكن أن تصبح مساعدين آمنين على أرضية المصنع أو في المزارع، لأنها تتوافق إذا كان هناك إنسان في الطريق. بنى الباحثون حتى مخالب لينة تلتقط الفواكه اللينة بدون كسرها. تعني مرونة الآلات اللينة أنها يمكن أن تعمل في أماكن صغيرة أو مرنة للغاية لآلات صلبة.

في النهاية، يعتقد الخبراء أن الروبوتات اللينة سوف تغير بشكل أساسي العديد من المجالات. من الديدان إلى البدلات القابلة للارتداء إلى قافزين قمريين، تُظهر هذه الخيط البحثي كيف يمكن أن تؤدي دراسة المخلوقات الصغيرة إلى قفزات كبيرة في التكنولوجيا.