في تطور كبير في مجال الروبوتات ، تم تصميم روبوت ذي عضلات "ناعمة" شبيهة بالإنسان بنجاح لأول مرة. يمكن أن تكون مثل هذه الروبوتات الناعمة نعمة لتصميم روبوتات صديقة للإنسان في المستقبل.
الروبوتات هي آلات قابلة للبرمجة تستخدم بشكل روتيني في التطبيقات الصناعية، على سبيل المثال كجزء من الأتمتة، وخاصة التصنيع لأنها مصممة لتكون جيدة في المهام المتكررة التي تتطلب الكثير من القوة والقوة. الروبوتات تتفاعل مع العالم المادي عبر أجهزة الاستشعار والمحركات الموجودة فيها، وهي قابلة لإعادة البرمجة مما يجعلها أكثر فائدة ومرونة من الآلات الروتينية ذات الوظيفة الواحدة. يتضح من الطريقة التي صممت بها هذه الروبوتات للقيام بهذه المهمة أن حركاتها جامدة للغاية، وأحيانًا متشنجة، تشبه الآلات، وهي ثقيلة ومؤثرة وغير مفيدة عندما تتطلب مهمة معينة كميات متفاوتة من القوة في أوقات مختلفة نقاط. تعتبر الروبوتات أيضًا خطرة في بعض الأحيان وقد تحتاج إلى حاويات آمنة لأنها ليست حساسة للبيئة المحيطة بها. يستكشف مجال الروبوتات مجموعة متنوعة من التخصصات لتصميم وبناء وبرمجة واستخدام الآلات الروبوتية بكفاءة في مختلف مجالات الصناعة والتكنولوجيا الطبية بمتطلبات مختلفة.
في الدراسات التوأم الأخيرة التي أجراها كريستوف كيبلينغر، قام الباحثون بتزويد الروبوتات بفئة جديدة من العضلات التي تشبه إلى حد كبير عضلاتنا البشرية، وتمتلك القوة والحساسية كما نفعل تمامًا. الفكرة المركزية هي توفير المزيد "طبيعيالحركات إلى الآلة أي الروبوتات. 99.9% من جميع الروبوتات اليوم عبارة عن آلات صلبة مصنوعة من الفولاذ أو المعدن، في حين أن الجسم البيولوجي ناعم ولكنه يتمتع بقدرات مذهلة. يمكن تصميم هذه الروبوتات ذات العضلات "الناعمة" أو "الأكثر واقعية" بشكل مناسب لأداء المهام الروتينية والحساسة (التي تؤديها العضلات البشرية بشكل يومي)، على سبيل المثال مجرد التقاط فاكهة طرية أو وضع بيضة داخل سلة. بالمقارنة مع الروبوتات التقليدية، فإن الروبوتات المجهزة بـ "عضلات اصطناعيةستكون بمثابة نسخ "أكثر نعومة" من نفسها وأكثر أمانًا ويمكن تخصيصها بعد ذلك لأداء أي مهمة تقريبًا على مقربة من الناس ، مما يشير إلى العديد من التطبيقات الممكنة المرتبطة بحياة الإنسان وحولها. يمكن الإشارة إلى الروبوتات اللينة باسم الروبوتات "التعاونية" ، حيث سيتم تصميمها بشكل فريد لتنفيذ مهمة معينة بطريقة مشابهة جدًا للإنسان.
يحاول الباحثون إنشاء روبوتات عضلية ناعمة. مثل هذا الروبوت سوف يتطلب لينة عضلة تقنية لانتحال شخصية العضلات البشرية وقد جرب الباحثون اثنان من هذه التقنيات - المحركات الهوائية ومشغلات المطاط الصناعي العازل. يُعرَّف "المشغل" بأنه الجهاز الفعلي الذي يحرك الروبوت ، أو يُظهر الروبوت حركة معينة. في المشغلات الهوائية ، يتم ضخ كيس ناعم بالغازات أو السوائل لإنشاء حركة معينة. هذا تصميم بسيط ولكنه لا يزال قويًا على الرغم من أن المضخات غير عملية ولديها خزانات ضخمة. التقنية الثانية - مشغلات اللدائن العازلة للكهرباء تستخدم مفهوم تطبيق مجال كهربائي عبر بلاستيك مرن عازل لتشويهه وبالتالي إنشاء حركة. لم تنجح هاتان التقنيتان بمفردهما حتى الآن لأنه عندما يمر صاعقة كهربائية عبر البلاستيك ، فإن هذه الأجهزة تفشل فشلاً ذريعاً وبالتالي لا تقاوم التلف الميكانيكي.
أكثر "الانسان "مثل" الروبوتات ذات العضلات المماثلة
في الدراسات التوأم الواردة في علوم1 و العلوم الروبوتات2، أخذ الباحثون الجوانب الإيجابية لتقنيتي العضلات الرخوة المتوفرين وابتكروا مشغلًا بسيطًا يشبه العضلات اللينة يستخدم الكهرباء لتغيير حركة السوائل داخل الأكياس الصغيرة. تحتوي أكياس البوليمر المرنة هذه على سائل عازل ، على سبيل المثال زيت عادي (زيت نباتي أو زيت كانولا) من السوبر ماركت ، أو يمكن استخدام أي سائل مماثل. بمجرد تطبيق الجهد بين أقطاب الهيدروجيل الموضوعة بين جانبي الحقيبة ، يتم سحب الجانبين لبعضهما البعض ، ويحدث تشنج الزيت ، مما يؤدي إلى الضغط على السائل الموجود فيه ويتسبب في تدفقه داخل الحقيبة. يخلق هذا التوتر تقلصًا اصطناعيًا للعضلات وبمجرد انقطاع الكهرباء ، يرتاح الزيت مرة أخرى ، ويقلد مصطنع استرخاء العضلات. يغير المشغل شكله بهذه الطريقة ، ويظهر الكائن المتصل بالمشغل حركة. لذلك ، تنقبض هذه "العضلة الاصطناعية" وتطلق (تنثني) على الفور في أجزاء من الثانية بنفس الطريقة وبنفس الدقة والقوة التي تتمتع بها عضلات الهيكل العظمي الحقيقية. يمكن لهذه الحركات أن تتغلب على سرعة تفاعلات العضلات البشرية لأن العضلات البشرية تتواصل بشكل متزامن مع الدماغ مما يتسبب في تأخير ، على الرغم من عدم ملاحظته. لذلك ، من خلال هذا التصميم ، تم تحقيق نظام مائع له تحكم كهربائي مباشر يُظهر تنوعًا وأداءً عاليًا.
في الدراسة الأولى1 in علوم، تم تصميم المحركات على شكل كعكة دونات ولديها القدرة والبراعة لالتقاط التوت وحمله من خلال ممسك آلي (وليس تفجير الفاكهة!). تم أيضًا الاهتمام بالضرر المحتمل الناجم عن صاعقة الكهرباء عند مروره عبر السائل العازل (مشكلة رئيسية في المشغلات المصممة مسبقًا) في التصميم الحالي وأي ضرر كهربائي تمت معالجته ذاتيًا أو تم إصلاحه على الفور بمجرد جديد. تدفق السائل إلى الجزء "التالف" من خلال عملية إعادة توزيع بسيطة. ويعزى ذلك إلى استخدام مادة سائلة أكثر مرونة بدلاً من طبقة عازلة صلبة مستخدمة في العديد من التصميمات السابقة والتي تضررت على الفور. في هذه العملية ، نجت العضلات الاصطناعية أكثر من مليون دورة انقباض. كان هذا المشغل الخاص ، على شكل كعكة دائرية ، قادرًا بسهولة على اختيار التوت. وبالمثل ، من خلال تصميم شكل هذه الأكياس المرنة ، ابتكر الباحثون مجموعة واسعة من المحركات ذات الحركات الفريدة ، على سبيل المثال حتى التقاط بيضة هشة بدقة وقوة مطلوبة بالضبط. وقد سميت هذه العضلات المرنة بأنها "مشغلات كهروستاتيكية مضخمة هيدروليكيًا ذاتية الشفاء" ، أو مشغلات HASEL. في دراسة ثانية2 نشرت في الروبوتات العلمقام نفس الفريق أيضًا بإنشاء تصميمين آخرين للعضلات الرخوة يتقلصان خطيًا ، مشابهين جدًا للعضلة ذات الرأسين البشرية ، وبالتالي يكون لديهم القدرة على رفع أجسام أثقل من وزنهم بشكل متكرر.
الرأي العام هو أنه نظرًا لأن الروبوتات هي آلات ، فمن المؤكد أنها تتمتع بميزة على البشر ، ولكن عندما يتعلق الأمر بالقدرات المذهلة التي توفرها لنا عضلاتنا ، يمكن للمرء ببساطة أن يقول إن الروبوتات شاحبة بالمقارنة. عضلة الإنسان قوية للغاية وللدماغ قدر غير عادي من السيطرة على عضلاتنا. هذا هو السبب في أن العضلات البشرية قادرة على أداء المهام المعقدة بدقة مثل الكتابة. تتقلص عضلاتنا بشكل متكرر وتسترخي عند القيام بمهمة شاقة ويقال إننا نستخدم في الواقع حوالي 65 بالمائة فقط من قدرة عضلاتنا وهذا الحد يتم تحديده بشكل أساسي من خلال تفكيرنا. إذا استطعنا أن نتخيل روبوتًا لديه عضلات ناعمة شبيهة بالإنسان ، فستكون قوته وقدراته هائلة. يُنظر إلى هذه الدراسات على أنها خطوة أولى لتطوير مشغل يمكن أن يحقق يومًا ما القدرات الهائلة للعضلات البيولوجية الحقيقية.
روبوتات "ناعمة" فعالة من حيث التكلفة
يقول المؤلفون إن المواد مثل أكياس بوليمر رقائق البطاطس والزيت وحتى الأقطاب الكهربائية غير مكلفة ومتاحة بسهولة مما يجعل التكلفة تصل إلى 0.9 دولار فقط (أو 10 سنتات). هذا أمر مشجع لوحدات التصنيع الصناعية الحالية والباحثين لتعزيز خبراتهم. المواد منخفضة التكلفة قابلة للتطوير ومتوافقة مع ممارسات الصناعة الحالية ويمكن استخدام هذه الأجهزة لعدد من التطبيقات مثل الأجهزة التعويضية ، أو كمرافق بشري. هذا جانب مثير للاهتمام بشكل خاص ، حيث أن مصطلح الروبوتات دائمًا ما يقابله ارتفاع في التكاليف. العيب المرتبط بهذه العضلات الاصطناعية هو الكمية العالية من الكهرباء اللازمة لتشغيلها وهناك أيضًا فرص للاحتراق إذا احتفظ الروبوت بالكثير من طاقته. تعتبر الروبوتات اللينة أكثر حساسية من نظيراتها الروبوتات التقليدية مما يجعل تصميمها أكثر صعوبة ، على سبيل المثال احتمالات الثقب وفقدان القوة وانسكاب الزيت. تحتاج هذه الروبوتات اللينة بالتأكيد إلى نوع من جوانب الشفاء الذاتي ، مثل العديد من الروبوتات اللينة بالفعل.
يمكن أن تكون الروبوتات اللينة الفعالة والقوية مفيدة للغاية في حياة الإنسان حيث يمكنها أن تكمل البشر وتعمل معهم مثل الروبوتات "التعاونية" بدلاً من الروبوتات التي تحل محل البشر. أيضًا ، يمكن أن تكون الأذرع الاصطناعية التقليدية أكثر نعومة ولطفًا وحساسية. هذه الدراسات واعدة وإذا أمكن معالجة الطلب المرتفع على الطاقة ، فمن المحتمل أن تحدث ثورة في مستقبل الروبوتات من حيث تصميمها وكيفية تحركها.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
1. Acome وآخرون. 2018. المشغلات الكهروستاتيكية المُضخّمة هيدروليكيًا ذاتي الإصلاح مع أداء يشبه العضلات. علم. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. مشغلات Peano-HASEL: محولات طاقة كهروهيدروليكية تحاكي العضلات وتتقلص خطيًا عند التنشيط. الروبوتات العلم. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
