روبوت يركض ويسبح بالطاقة الهوائية والمطاط فقط.. ثورة في علم الحركة

مضخةٌ مُخصصة، وأنبوبٌ مطاطيٌّ طويل، وشرارةُ فضول، أنتجت آلةً تتحدى كل قواعد الروبوتات التقليدية. فبدلاً من أسطر التعليمات البرمجية، يعمل هذا الروبوت الناعم بضغط الهواء وشكل جسمه فقط.

قام المؤلف الرئيسي ألبرتو كوموريتو وزملاؤه في معهد الأبحاث الهولندي AMOLF ببناء الجهاز الذي يبلغ وزنه رطلين، وشاهدوه وهو يركض عبر مقعد مختبر، ويتسلق فوق كتاب، ثم ينزلق إلى خزان ويتجدف مثل كلب صغير.

ساعد يوهانس أوفرفيلدي، أيضًا في AMOLF، في إظهار أن الجهاز البسيط يضبط حركته على الأرض أو الماء دون الحاجة إلى ترانزستور واحد.

نُشرت الدراسة في مجلة Science.

إعادة التفكير في التحكم بتدفق الهواء

يعتمد الروبوت التقليدي على وحدة تحكم رقمية تقيس وتتخذ القرارات وتصدر الأوامر. ومع ذلك، فإن كل حلقة تستهلك الطاقة والوقت.

تستعين آلة AMOLF بكل هذا العمل في الفيزياء الخاصة بأطرافها الهوائية، مما يقلل تأخير الاستجابة إلى مللي ثانية، ويقلل قائمة الأجزاء إلى مضخة وأربعة صمامات.

كل طرف عبارة عن أنبوب سيليكون مجوف ينحني على شكل ركبة ناعمة؛ حيث يتسبب تدفق الهواء الثابت في انثناء الطرف، ثم يسترخي، ثم يعود للظهور في الأعلى، مما ينتج عنه حركة إيقاعية.

يصل هذا التذبذب الذاتي إلى 300 هرتز، وهو أسرع بكثير من الروبوتات الناعمة السابقة التي وصلت سرعتها القصوى إلى نحو ثلاثة هرتز.

لأن جميع الأنابيب تشترك في خط هواء واحد، فإن تغير الضغط في إحدى الساقين يشد الساقين الأخريين كما يربط زنبرك مشترك صفًا من ساعات المسرع. والنتيجة هي مزامنة الأطراف دون أي تدخل أو حسابات.

على السجادة، تتصلب الأرجل ضد السحب، فتصطدم الأرجل الأربع بالأرض في نفس الطور ويقفز الروبوت للأمام.
ألقِ به في الماء فيختفي السحب، وتنزلق المرحلة إلى نمط متناوب، فيبدأ بالسباحة.

هذا الروبوت الناعم يعلم نفسه

لاحظ كوموريتو التأثير لأول مرة عندما ضغط على خرطوم هواء وسمعه يصدر صوتًا. كشف فيديو عالي السرعة عن انحناءة تطارد موجة ضغط خاصة بها، وهي نسخة مصغرة من تمائم “فلاي جاي” القابلة للنفخ، التي ابتكرت لأولمبياد أتلانتا 1996.

قد تبدو تلك التمائم فوضوية، إلا أن اهتزازها يتبع نفس حلقة التغذية الراجعة من الضغط والانحناء والإطلاق.

ومن خلال تقييد طول الأنبوب، وسمك الجدار، وزاوية الانحناء، تمكن الفريق من تحويل هذه الحلقة من رقصة إلى محرك.

قام المهندسون بطباعة هيكل صلب يثبت الأنابيب بزاوية ميل مناسبة، بحيث تدفع الجاذبية كل قدم للأسفل مع مرور الانحناء. وضبطوا معدل التدفق، لا البرمجيات، للتبديل بين المشي والقفز السريع والحركة في المكان.

قال كوموريتو، متذكرًا اللحظة التي أدرك فيها أن الخرطوم مليء بالإمكانيات: «كنا متحمسين للغاية لرؤية هذه الحركة الدورية غير المتماثلة ذاتية الاستدامة». ازداد حماسه عندما قلّدت الأطراف بعضها البعض دون مساعدته.

الروبوت يمشي ثم يسبح

أدى تشابك الخراطيم إلى تقييد الاختبارات الأولى، لذا قامت المجموعة بتقليص التصميم إلى ساقين وتركيب المضخة على متن الجهاز.

انخفض التدفق من 15 لترًا قياسيًا في الدقيقة إلى أقل من لتر واحد، وانخفض استهلاك الطاقة إلى 0.12 واط فقط للزوج.

سمح هذا التوفير للروبوت بحمل بطارية ليثيوم بحجم هاتف محمول والعمل لمدة نصف ساعة بشحنة واحدة. وأُعطي إحساسًا بدائيًا بالتاكسي الضوئي عبر ثنائيين ضوئيين، مما سمح له بالانطلاق نحو شعاع مصباح كما تبحث العثة عن الضوء.

قال أوفرفيلدي: «عندما يصطدم الآن بجدار، يبدأ بالانعطاف يسارًا. وإذا هبط في الماء، يبدأ بالسباحة للخلف، لم نخترع ذلك، إنه يحدث فحسب».

عندما اعترض جدار من الأكريليك طريقه، انحرفت التذبذبات، فمال الجسم إلى اليسار وتجاوز العائق دون أن «يعرف» بوجوده.

في تجربة بحوض سمك، انقلبت الأرجل لتحاكي مجداف الكلب، مما دفع الهيكل لمسافة ثلاثة أضعاف طوله في عشر ثوانٍ.

قوة أقل، حركة أكثر

لا تزال المضخات تهيمن على الوزن، لذا يجرب الباحثون أغشية رقيقة تعمل كصمامات سلبية، تضغط على كل أنبوب بشكل إيقاعي مع عادم جاره.

إذا نجحت هذه العملية، يمكن أن تتقلص المضخة إلى حجم ظفر الإبهام، والبطارية إلى حجم خلية معدنية.

مشروع ثانٍ يركّب الأطراف نفسها حول كيس سيليكون لتشكيل قلب صناعي ناعم ينبض بتزامن مع ضغط الدم.

ويؤكد أوفرفيلدي أن الغرسة الطبية يجب أن «تعمل ببساطة» دون انتظار تحديث للبرمجيات.

ما وراء الألعاب والعروض التوضيحية

تشير الدراسة إلى فئة جديدة من الأجهزة تستبدل الذكاء السيليكوني بالذكاء المجسد، وتحفظ «الحكمة» في الشكل والمادة.

يتردد صدى هذا المبدأ في علم الأحياء، حيث تحرر ردود الفعل الشوكية ومرونة الأوتار الدماغ للتخطيط بدلاً من الإدارة الدقيقة.

يمكن لروبوتات البحث والإنقاذ أن تزحف عبر الأنقاض دون خطر التماس كهربائي، ثم تسبح عبر أقبية مغمورة باستخدام نفس المحركات.

كما أن هذا النهج يخفف من مشكلة النفايات الإلكترونية؛ فالمضخة والخراطيم والمطاط الصناعي القابل لإعادة التدوير تترك بصمة بيئية أصغر.

روبوتات ناعمة مصممة للفضاء

يشير النقاد إلى أن أنظمة الهواء تواجه صعوبات في الارتفاعات العالية والفراغ، لكن المؤلفين يرون أن تصاميم هجينة يمكن أن تستغل الغاز المضغوط ومولدات الغاز الكيميائية لاستكشاف الفضاء.

الدراسات الإضافية ستسمح برسم خرائط لمعادلات الطور والرنين، مما يتيح للمهندسين زيادة السرعة والدقة حسب الطلب.

تطورت الروبوتات الناعمة من ألعاب مرنة إلى أدوات عملية في أقل من 15 عامًا.

ومن خلال إثبات أن الفيزياء البسيطة قادرة على تنظيم حركات معقدة بمعدل مئات النبضات في الثانية، نجح الفريق الهولندي في دفع هذا المجال خطوة نحو الاستخدام اليومي.

المحطة التالية هي الموثوقية، التي لا تُقاس بالساعات بل بالسنوات، لأن لا أحد يريد رعاية روبوت إنقاذ أو تبديل مضخة قلب كل موسم.

وكما أظهرت الأنبوبة الغنائية التي غناها كوموريتو بالخطأ، فإن الطريق إلى حياة طويلة يبدأ أحيانًا بصوت، لا بجدول بيانات.