يد اصطناعية متطورة تحاكي اللمسة البشرية في اختراق في مجال الروبوتات

قد يُساعد إنجازٌ حديثٌ في مجال الروبوتات مبتوري الأطراف على استعادة بعض قدراتهم المفقودة. يجمع تصميم اليد الاصطناعية الجديد طبقاتٍ من المستشعرات مع هيكلٍ روبوتيٍّ هجين وخوارزمية تعلّم آليّ تقرأ الإشارات المُرمّزة عصبيًا لتحقيق قدراتٍ تُشبه قدرات الإنسان. إليك ما تحتاج لمعرفته.

علم القبضة

عندما تمد يدك وتلتقط شيئًا ما، قد يبدو الأمر وكأنه يحدث تلقائيًا. لكن الحقيقة هي أن هذا الفعل البسيط، الذي يبدو وكأنه لا شيء، هو عبارة عن تفاعل معقد بين ملايين المستقبلات الميكانيكية للجلد، والأنسجة الرخوة، والعظام، والمفاصل، والدماغ.

تحتوي يدك على أربعة مستقبلات ميكانيكية لمسية أساسية تسمى خلايا ميركل، وكريات مايسنر، ونهايات روفيني، وكريات باتشيني. تحتوي الطبقة الخارجية من بشرتك على خلايا ميركل المصممة للاستجابة للمس الخفيف.

بعد ذلك، تستشعر جسيمات مايسنر الترددات المنخفضة. تليها نهايات روفيني التي تحدد التشوهات على الأسطح. أما الطبقة الأخيرة، جسيمات باتشين، فتكتشف الضغط والاهتزازات عالية التردد.

هذا المزيج من المستشعرات والعظام والأنسجة هو ما يُمكّن البشر من استشعار الأسطح المتنوعة والمعقدة بسهولة وسرعة. والجدير بالذكر أن هذا الهيكل يُمكّنك من التقاط بيضة دون كسرها، أو ملاحظة أن كوب الكاكاو الساخن الورقي الذي طلبته من آلة البيع بدأ ينزلق.

قضايا تكرار القبضات البشرية

كانت هناك محاولات عديدة لإنشاء أيدي آلية تتمتع بنفس تنوع الأطراف البشرية. ومع ذلك، فشلت جميعها حتى الآن لعدة أسباب. ومع ذلك، فإن المحاولات التي حققت أفضل النتائج كانت تستخدم الروبوتات اللينة.

تختلف الروبوتات اللينة عن الروبوتات التقليدية في افتقارها إلى بنية صلبة. وقد شهدت هذه الأجهزة استخدامًا متزايدًا في مهام متنوعة، بما في ذلك الإغاثة من الكوارث واستكشاف المعادن، حيث يسمح تصميمها غير المطابق لها بتغيير شكلها لتلائم المساحات الضيقة. وللأسف، فإن هذا الافتقار إلى الصلابة هو ما أدى أيضًا إلى عدم قدرة الروبوتات اللينة على محاكاة الأطراف البشرية.

أولاً، كل جهاز استشعار تضيفه إلى روبوت مرن ناعم يضعف قدرته الأساسية، وهي المرونة. بالإضافة إلى ذلك، فإن غالبية هذه الأنظمة قادرة فقط على استشعار حدوث اللمس. وهذا النهج بعيد كل البعد عن الكمية الهائلة من البيانات الحسية التي يعالجها دماغك في كل مرة تلمس فيها عنصرًا.

تفاصيل الدراسة

وبإدراك هذه القيود، نشرت مجموعة من العلماء من جامعة فلوريدا أتلانتيك ومؤسسات رائدة أخرى الدراسة "يد اصطناعية طبيعية تحاكي البيئة مع استشعار لمسي عصبي الشكل من أجل إمساك دقيق ومرن"¹ في مجلة Science Advances، تتناول الورقة البحثية تصميمًا جديدًا لليد الاصطناعية الهجينة التي تستفيد من المفاصل الروبوتية الناعمة والهيكل العظمي الصلب ونظام استشعار متعدد الطبقات.

تصميم اليد

ابتكر المهندسون تصميمًا جديدًا لليد يُحاكي شكل اليد البشرية. يستخدم نظام الأصابع المتعددة بوليمرات شبيهة بالمطاط لتكوين الأصابع والإبهام القابل للعكس. يعتمد التصميم على مفاصل أصابع ناعمة مملوءة بالهواء، تُحركها عضلات الساعد عبر تخطيط كهربية العضلات. يتيح هذا الأسلوب للمستخدم التحكم بها كما لو كان يتحكم بيده الحقيقية.

المصدر – التقدم العلمي

إصبع هجين مقلد حيويًا

يدمج تصميم الإصبع البيومتري الهجين ثلاثة مفاصل روبوتية ناعمة تعمل بشكل مستقل. تم تصنيع هذه المفاصل من مادة السيليكون Dragon Skin 10 لمحاكاة الجلد البشري. تتميز الأصابع بـ 14 مفصلًا تعمل بشكل مستقل ومقسمة مثل يدك، مع 3 في كل إصبع رئيسي واثنين في الإبهام.

اختار العالم استخدام الشبكات الهوائية لتشغيل مفاصل الأصابع الهجينة. وعلى وجه التحديد، تعمل المحركات على ضغط الهواء، مما يؤدي إلى نفخها، مما يجعلها تتحرك وفقًا لذلك. تعمل هذه الاستراتيجية على التخلص من الحاجة إلى محركات ومحركات إضافية، مما يقلل التكاليف والوزن.

يوفر التكوين الشبيه بالإنسان للمحركات اللينة ذات الهيكل الداخلي الصلب قوة أكبر من الخيار الروبوتي اللين التقليدي. وعلى هذا النحو، فقد قرروا أن المحركات المضغوطة توفر نقلًا مباشرًا للقوة إلى الجسم الذي يتم التلاعب به بطريقة تسمح له بتوفير ضغط دقيق لمناطق محددة للتلاعب بالجسم دون حدوث أي ضرر.

أطراف أصابع اليد الاصطناعية

يحتوي طرف الإصبع المصنوع من السيليكون الناعم على مجموعة من مستشعرات اللمس متعددة الطبقات، تُمكّنه من استشعار الضغط والترددات العالية. وهو الجزء الأكثر حساسية في اليد، ويتصل بمستشعرات أخرى لتوفير فهم متعمق للبيئة والجسم المراد التعامل معه. ومثلك، يستطيع الروبوت تمرير طرف إصبعه على سطح ما لتحديد العديد من خصائص تركيبه وكيفية التعامل معه.

هيكل عظمى

يعتمد هذا النهج في جوهره على الاعتقاد بأن التصميم الهجين يشتمل على هيكل داخلي صلب مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وقد تم تطوير الهيكل الذي يستخدمه المهندسون باستخدام حمض البوليكتيك (PLA). وهو يوفر الاستقرار ومضاعفة القوة والدعم للمكونات الأساسية لليد.

أجهزة الاستشعار

وجد العلماء أنهم يحتاجون فقط إلى تكرار ثلاث طبقات من أجهزة الاستشعار اللمسية لتحقيق أداء يشبه أداء الإنسان تقريبًا. يوفر تصميمهم ردود فعل لمسية موثوقة في الوقت الفعلي للنظام، مما يسمح له باتخاذ قرارات معقدة لتحديد التركيب والقوة اللازمة والنهج للتعامل بنجاح مع العناصر.

الطبقة الخارجية: صُممت طبقة المستشعر الخارجية لتعمل مثل بشرتك. يمكن لبشرتك أن تلاحظ أدنى لمسة. ولإنجاز هذه المهمة، قام الفريق بدمج طبقة استشعار خارجية مقاومة للضغط على سطح أطراف الأصابع الهجينة. تدمج هذه الطبقة تسعة مستشعرات لمسية. يبلغ الحجم الإجمالي لكل مستشعر 4 مم2 فقط ويفصل بينهما 2.5 مم، مما يوفر تغطية كاملة لأطراف الأصابع.

الطبقة الوسطى: تم تصميم منطقة الاستشعار الوسطى للعمل مثل نهايات روفيني في جسمك. ولإنجاز هذه المهمة، قام الفريق بتضمين طبقة استشعار مقاومة للضغط. والجدير بالذكر أن أجهزة الاستشعار المقاومة للضغط تغير المقاومة الكهربائية عند تطبيق قوة خارجية عليها.

ومن المثير للاهتمام أن هذه الطبقة تحتوي على ستة أجهزة استشعار يبلغ قياس كل منها 6 مم2. وقد قام الفريق بفصل هذه الأجهزة عن بعضها بمسافة 2.5 مم ووضعها بطريقة متباعدة عن طبقة الاستشعار الخارجية لتحسين قدرات الاستقبال التكتيكية.

الطبقة الداخلية: صمم المهندسون الطبقة الداخلية لليد لتعمل مثل جسيمات باتشينيا، حيث تكتشف الاهتزازات عالية التردد والضغط المؤقت من البيئة. وقد تم تصنيعها باستخدام محول كهربائي ضغطي مقاس 10 مم متصل بالظفر. وبشكل أكثر تحديدًا، يقع بين المكونات اللينة والصلبة لأطراف الأصابع الهجينة.

عندما يتم اكتشاف أي قوى، فإنه يولد جهدًا صغيرًا يسمح للنظام بإجراء التعديلات وتحديد أفضل طريقة للتعامل مع الجسم. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يستخدم الظفر الصلب لالتقاط الاهتزازات على الأسطح.

خوارزميات التعلم الآلي

يتم إدخال كل هذه البيانات إلى خوارزمية التعلم الآلي التي تجمع البيانات وتعالجها وترميزها عصبيًا قبل إرسالها مرة أخرى إلى الملحق الآلي. يمكن للنظام الاستفادة من الاستجابات العصبية فيما يتعلق بخوارزمية التعلم الآلي الخاصة به لتصنيف الملمس.

ومن المثير للاهتمام أن النظام يقوم بتشفير البيانات على نحو عصبي فيما يتصل بالمستقبلات الميكانيكية في الجلد البشري باستخدام إطار نموذج الخلايا العصبية إيزيكيفيتش. وتسمح هذه الاستراتيجية للوحدة بتوفير معلومات حسية لمسية طبيعية من خلال تحفيز الأعصاب، وهو ما يعد الأول من نوعه في مجال الروبوتات الهجينة.

يد الروبوت تعرف ما تلمسه

تُمكّن هذه الاستراتيجية الذراع الروبوتية من تحديد ما تلمسه. تربط الإشارات الدماغ والأعصاب، مما يسمح لمرتديها بتمييز الأشياء ذات الأشكال وقوام الأسطح المختلفة بسهولة.

اختبار اليد الاصطناعية

بدأ اختبار اليد الاصطناعية بأصابع فردية. تم اختبار كل إصبع، وخضعت كل طبقة حسية للتقييم. وبمجرد أن قرر الفريق أن جميع الأجهزة تعمل بشكل مستقل كما هو مخطط له، تم دمجها، وبدأت المرحلة التالية من الاختبار.

وكجزء من مرحلة الاختبار هذه من البحث، قام المهندسون بربط اليد بذراع الروبوت UR5. ومن هناك، بدأ الفريق في محاولة التعامل مع العناصر. وفي المجموع، تم اختيار 15 عنصرًا يوميًا. وتراوحت العناصر التي تم اختبارها من الأناناس وزجاجات المياه المعدنية والألعاب الناعمة، وصولاً إلى كوب ورقي مملوء بالماء.

النتائج والملاحظات

أظهرت نتائج الاختبار وعدًا حقيقيًا لهذه التقنية. وقد وفر الاختبار بعض الرؤى حول قدراتها. من حيث المرونة، حقق الإصبع الهجين المحاكي الحيوي انحناءً بمقدار 127 درجة وزاوية انثناء بمقدار 230 درجة دون نقاط فشل.

بالإضافة إلى ذلك، أظهر الذراع الآلي تنوعًا في الاستخدام، وتمكن من تعديل قبضته بسرعة. في إحدى الحالات، استخدم ثلاثة أصابع فقط للإمساك بكوب ورقي لتجنب ثنيه وانسكاب الماء. ومن المثير للإعجاب أن مستشعرات الذراع الآلي صنفت الأشياء بناءً على اللمس بدقة 3%. وتفوقت هذه النسبة على كل من الأصابع الروبوتية اللينة والأصابع الاصطناعية الصلبة، مما يوفر دقة تُضاهي دقة الإنسان.

فوائد النتائج

إن الفوائد التي تجلبها هذه الدراسة إلى السوق قد تغير الروبوتات إلى الأفضل. فالتكنولوجيا الهجينة التي تم عرضها هنا قد تساعد في تحسين السلامة في البيئات التي يعمل فيها الروبوتات والموظفون جنبًا إلى جنب. تخيل أنك تصطدم بزميلك الروبوت فيبتعد عنك ويعتذر.

زيادة البراعة

أظهرت الذراع الاصطناعية المُحسّنة براعة فائقة مقارنةً بسابقاتها. استطاعت إنجاز مهام لا تستطيع الروبوتات اللينة والصلبة القيام بها. في إحدى الحالات، كُلّفت بالإمساك بكرة من خلال الالتفاف حولها. وقد نجحت في إنجاز هذه المهمة، وهو أمرٌ يستحيل على الروبوتات الصلبة القيام به.

أكثر طبيعية

من أهم فوائد هذا النوع من الأطراف الاصطناعية أنه يبدو أكثر طبيعية للمريض. قد يشعر الأشخاص الذين يعانون من فقدان الأطراف العلوية بعدم قدرتهم على العودة إلى ممارسة مهامهم الطبيعية خوفًا من أن يُسبب لهم الطرف الاصطناعي أذىً أو إصابة. وتَعِد هذه التقنية بتمكينهم من التفاعل بأمان مع أحبائهم دون خوف من إيذائهم.

باحثون في مجال دراسة اليد الاصطناعية

وقد قاد ون يو تشنغ من جامعة فلوريدا أتلانتيك دراسة اليد الاصطناعية. ومن بين الباحثين الآخرين الذين ساهموا في المشروع جينجهوا تشانج، وأرييل سليبيان، ومارك إم. إسكاروس، وريبيكا جيه. جرين، ورينيه ديبراباندر، وجونجون تشين، وأرناف جوبتا من جامعة إلينوي في شيكاغو.

ومن المثير للاهتمام أن هذا الفريق نفسه كان أول من قدم الجلد الإلكتروني لقطاع الروبوتات في عام 2018. والآن، عملوا على الاستفادة من هذه التكنولوجيا بشكل أكبر لإنشاء أطراف صناعية قادرة على توفير الأداء البشري. وتتضمن خططهم تطوير أنظمتهم من خلال دمج المزيد من أجهزة الاستشعار والمواد الأفضل وزيادة قوة الإمساك.

التطبيقات الواقعية والجدول الزمني لتقنية اليد الاصطناعية

ويحمل هذا التقدم وعدًا كبيرًا للأفراد الذين فقدوا أطرافهم العلوية، حيث يمنحهم القدرة على التفاعل مع بيئتهم بشكل أكثر طبيعية وأمانًا. ويمكن للأطراف الاصطناعية المستقبلية دمج هذه التكنولوجيا وتوفير استجابات تشبه الحياة. ويمكن أن تساعد نفس التكنولوجيا أيضًا في تحسين الروبوتات الجراحية.

في حين أن هذه التقنيات الاصطناعية لا تزال في مرحلة البحث حاليًا، فقد تصبح متاحة تجاريًا خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة، اعتمادًا على المزيد من التطوير والموافقات التنظيمية. وفيما يلي بعض التطبيقات الواقعية الأخرى لهذه التقنية الروبوتية الناعمة.

صناعي

شهد القطاع الصناعي تحولاً قوياً نحو الروبوتات على مدى السنوات الخمس الماضية. ويمكن أن تساعد هذه التكنولوجيا الحديثة في دفع عملية التبني إلى أبعد من ذلك. يبحث المصنعون باستمرار عن طرق لدمج الروبوتات مع العمال من البشر لتحسين الكفاءة دون فقدان الجودة.

إن الروبوتات الهجينة مثل تلك التي تمت مناقشتها في هذه الدراسة قد تعمل جنبًا إلى جنب مع البشر مع مخاطر أقل. كما يمكنها أيضًا إنجاز المهام التقليدية التي يقوم بها البشر فقط مثل فرز الفاكهة الحساسة أو المنتجات مثل الأواني الزجاجية دون التسبب في أي ضرر.

زراعي

الزراعة مجالٌ آخر تتواجد فيه الروبوتات. يمكن لهذه الأجهزة أن تُحسّن الحصاد من خلال مراقبة صحة المحصول عبر أجهزة الاستشعار، وضمان قطف المحاصيل الناضجة في الوقت المناسب. في المستقبل، ستتمكن الروبوتات الناعمة من إدارة معظم مراحل الزراعة، من الزراعة إلى القطف، وصولًا إلى فرز المحاصيل الجيدة من السيئة.

شركة مبتكرة رائدة في صناعة الروبوتات

يواصل قطاع الروبوتات ازدهاره مع دخول المزيد من الشركات والتقنيات إليه. مستقبل الروبوتات مشرق، وقد حققت العديد من الشركات مكانة قوية في السوق. وقد استثمرت هذه الشركات مليارات الدولارات في أبحاث وتطوير روبوتات أكثر مرونة وقدرة وعمرًا أطول. إليكم إحدى الشركات الرائدة في مجال الروبوتات.

شركة Ekso Bionics Holdings, Inc. (NASDAQ: EKSO)

شركة إيكسو بيونيكس القابضة (EKSO + 3.63٪) دخلت الشركة السوق في عام 2005، سعياً منها إلى تعزيز مجال تكنولوجيا الهياكل الخارجية وأجهزة إعادة التأهيل الروبوتية. ومنذ إطلاقها، حصلت الشركة على العديد من العقود رفيعة المستوى التي تركز على تطوير منتجات الهياكل الخارجية بشكل أكبر.

الهياكل الخارجية هي عبارة عن روبوتات يرتديها البشر. تم تصميمها لتكملة وتعزيز حركاتك. وبالتالي، يمكن استخدامها في المصانع للمساعدة في منع التعب أو في ساحة المعركة لمنح الجنود قدرة أكبر على التحمل.

تقدم شركة Ekso Holdings العديد من الحلول المبتكرة المصممة لتحسين جودة حياة المرضى الذين يعانون من فقدان الأطراف. هذه المنتجات، إلى جانب مكانتها وتاريخها في السوق، تجعل من شركة Ekso Bionics Holdings إضافة ذكية إلى محفظتك.

أحدث الأخبار عن شركة Ekso Bionics Holdings

دراسة اليد الاصطناعية ومستقبل الروبوتات الهجينة

تُظهر هذه الدراسة كيف أن الطبيعة ربما تكون قد وجدت بالفعل الحل الأمثل للعديد من مشاكل التصميم. ومع سعي المزيد من المهندسين لمحاكاة الطبيعة، ستُبشر تصاميمهم الروبوتية بعصر جديد من الكفاءة. يمكن أن تُسهم هذه التقنية في ضمان عمل الروبوتات جنبًا إلى جنب مع البشر بأمان، وتوفير خدمات إضافية تُحسّن حياة العمال والمنتجات المُقدمة.

تعرف على المزيد من الاكتشافات الرائعة في مجال الروبوتات هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. سانكار، س.، تشنغ، دبليو.-ي.، تشانغ، جيه.، سليبيان، أ.، إسكاروس، إم إم، جرين، آر.جيه، ديبراباندر، آر.، تشن، جيه.، جوبتا، أ.، وتاكور، إن.في. (2025). يد اصطناعية طبيعية تحاكي البيئة مع استشعار لمسي عصبي الشكل من أجل إمساك دقيق ومرن. تقدم العلوم ، 11(10)، eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}