بتقنية طباعة ثلاثية الأبعاد.. روبوت على هيئة فيل.. ذكي بخرطوم مرن وأقدام فولاذية

يستطيع الفيل الحقيقي أن يلفّ خرطومه حول زهرة، وفي الوقت نفسه يوازن خمسة أطنان على أقدامه المتينة. هذا النطاق المذهل من المرونة والقوة ألهم مهندسي المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL)، لتصميم روبوت أطلقوا عليه اسم “EleBot”، قادر على أداء المهمتين معًا بفضل شبكة إسفنجية واحدة قابلة للبرمجة، تم إنتاجها باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد.

صدرت الدراسة عن مختبر تصميم وتصنيع الروبوتات الحاسوبية (CREATE)، حيث طوّر الباحث الرئيسي تشينغهوا جوان وزملاؤه منصة اختبار على هيئة فيل، استبدلوا فيها استخدام مواد بلاستيكية متعددة بهيكل ذكي موحد.

نُشرت الدراسة في مجلة Science Advances.

تصنيع روبوت الفيل “EleBot”

تغطي الأنسجة البيولوجية نطاقًا واسعًا من الصلابة، يمتد من الدهون اللينة التي تقلّ صلابتها عن 1 كيلوباسكال، إلى العظام القشرية التي تصل إلى 30 جيجاباسكال.

غالبًا ما تحاول الروبوتات محاكاة هذا النطاق عبر طباعة طبقات من البوليمرات المختلفة، وهي عملية بطيئة ومكلفة، وتُنتج نقاط انتقال مفاجئة قد تتمزق تحت الضغط.

لكن فريق CREATE اختار طريقًا مختلفًا، يتمثل في ضبط الصلابة هندسيًا.

فكل خلية في شبكة “EleBot” يمكن أن تتحول بين شكلين: شبكة مكعبة مركزها الجسم، أو مكعب من نمط X. وتتحكم زوايا الأشعة داخل الخلية في مدى سهولة انحنائها أو مقاومتها للقصّ.

يقول جوان: “استخدمنا تقنية الشبكة القابلة للبرمجة لبناء روبوت مستوحى من الجهاز العضلي الهيكلي للفيل، مزود بخرطوم ناعم قادر على الالتواء والانحناء والدوران، إلى جانب مفاصل الورك والركبة والكاحل الأكثر صلابة.”

وبفضل هذا التصميم، يستطيع خرطوم “EleBot” التقاط سلك رفيع لا يتجاوز قطره 0.1 ملم، أو رفع وزن يصل إلى نصف كيلوغرام، دون الحاجة إلى تغيير المواد المستخدمة.

تشكيل رغوة الروبوت

يمكن ترتيب مكعب واحد يتكوّن من أربع خلايا بأكثر من 4 ملايين شكل فريد، وإذا أضفت خلية إضافية، ترتفع احتمالات التكوين إلى 75 مليونًا.

هذا التنوع الهائل ينبع من “بُعدين برمجيين”: أولهما هو إمكانية تغيير شكل كل خلية على طيف BCC–X‑cube، وثانيهما هو تدوير أو تحوير الخلايا لتكوين أنماط جديدة نتيجة لتداخل الأشعة.

وأظهرت دراسات سابقة أن تعويض الدعامات المركزية في رغوة BCC يمكن أن يُضاعف قدرة المادة على امتصاص الطاقة.

دمج فريق EPFL هذه الأفكار في إطار تصميم موحد، يتيح تحكمًا دقيقًا في الصلابة والمرونة والاتصال بين المكونات، بطريقة تشبه مزج ألوان RGB في برامج الرسوميات.

وقد تراوحت مقاومة مكعبات الفريق للضغط بين 20 و280 كيلوباسكال وفقًا لمعامل يونغ، مما يُغطي الفجوة بين الأنسجة الرخوة والغضاريف. والمثير أن كل المكونات مصنوعة من راتنج سيليكوني واحد، مدعّم بدعامات هوائية تُبقي الوزن منخفضًا.

بناء EleBot من رغوة واحدة

لإثبات التطبيق العملي للتقنية، قام الباحثون ببناء ثلاث وحدات تعمل بخيوط التوتر (الأوتار). استخدموا تصميمًا يجعل الجذع أكثر ليونة عند الحواف الخارجية، وأكثر صلابة في الداخل، ما يسمح لكابل واحد بثنيه بزاوية تصل إلى 70 درجة دون تشوهات جانبية.

أما مفصل “الركبة” أحادي المحور، فكان قادرًا على الانثناء حتى زاوية 50 درجة، بفضل خلايا مكعب X مزدوجة تعمل كأربطة حول قلب صلب.

وفي “الكاحل” ثنائي المحور، تُغيّر الخلايا اتجاهها لتمنح 40 درجة من الميلان في جميع الاتجاهات، مع منع الالتواء غير المرغوب فيه.

في الماضي، كانت مثل هذه الحركات تتطلب أكياس تفريغ معقدة أو شبكات من الغرف الهوائية. لكن شبكة الرغوة القابلة للبرمجة أنجزت المهمة باستخدام أربعة محركات هوائية فقط وعدد قليل من خيوط الصيد.

تطبيقات واعدة تتجاوز الفيلة

تُقلل الشبكات المجوفة خفيفة الوزن من مقاومة الهواء والماء، وهو ما يمنحها قيمة كبيرة في الطائرات المسيّرة والمركبات تحت الماء. وقد اختبرت وكالة ناسا بالفعل مواد مماثلة لتطوير مساكن فضائية يمكن تجميعها ذاتيًا وتتميز بالصلابة وخفة الوزن.

كما تتيح الشبكات القابلة للبرمجة إدماج الأسلاك أو القنوات الدقيقة أو المستشعرات، دون الحاجة إلى حفر، مما قد يُمهّد الطريق لأطراف صناعية تنمو فيها العضلات والعظام والأعصاب من نفس عملية الطباعة.

وتدعم دراسات حديثة الفرضية القائلة إن الهندسة المتقدمة تتفوق على خلط المواد المختلفة عندما يحتاج المصمم إلى دقة عالية في الخصائص الميكانيكية. وتُجسد رغوة EPFL هذه النظرية، حيث تربط بين الابتكار النظري والتطبيق العملي.

روبوتات الفيلة الذكية قادمة

يعمل فريق جوان حاليًا على تقوية جدران الخلايا لرفع الصلابة إلى مستوى الميجاباسكال، وهو ما يُمكّن من استخدام التقنية في الهياكل الخارجية وتحمل الأحمال.

كما يخططون لتغليف الخلايا المفتوحة بحبر موصل للكهرباء، ما يجعل الهيكل قادرًا على استشعار الضغط، وبالتالي يتحول إلى نظام عصبي مدمج.

ويقول بينهاوي داي، طالب الدكتوراه في EPFL: “مثل خلايا قرص العسل، يمكن أن تكون نسبة القوة إلى الوزن في الشبكة مرتفعة جدًا، ما يسمح بصنع روبوتات خفيفة وفعالة للغاية.”

وفي المستقبل، قد يتم استبدال السيليكون ببلاستيك حراري قابل لإعادة التدوير أو راتنجات نشا الذرة القابلة للتحلل، مما يُقلّص البصمة البيئية للطباعة على نطاق واسع.

وقد أتاح مختبر CREATE كود التصميم كمصدر مفتوح، ما يتيح للهواة طباعة نماذج شبكية خاصة بهم باستخدام طابعات SLA الاستهلاكية في وقت قريب.

وبهذا، يصبح الحد الفاصل بين الألعاب اللينة، وأدوات الإمساك الدقيقة، والروبوتات المتنقلة غير واضح، أسرع مما كنا نتوقع.

EleBot والرغوة وروبوتات المستقبل

يُعد “EleBot” نموذجًا توضيحيًا أكثر منه منتجًا نهائيًا، إذ لا يتجاوز ارتفاعه 60 سنتيمترًا. ومع ذلك، يستطيع خرطومه أن يلتفّ برقة حول زهرة الأقحوان دون أن يُتلف بتلاتها، كما يمكن لأرجله أن تركل كرة بولينج – وهما إنجازان نادران في روبوت واحد.

ومن خلال إثبات أن الهندسة وحدها، وليس المواد المختلفة، يمكن أن تمنح الرغوة الخصائص اللازمة، تفتح EPFL الباب لمستقبل تُبنى فيه روبوتات المصانع، والأجهزة الطبية، وروبوتات الإنقاذ من مادة واحدة فقط.

لقد استغرقت الطبيعة ملايين السنين في تطوير أنسجة معقدة، لكن يبدو أن المهندسين قد يقتربون من منافستها، بمليون خلية قابلة للطباعة.

روبوت فيل يُظهر تقنية طباعة الأنسجة ثلاثية الأبعاد. حقوق الصورة: المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان