الروبوتات
تقدم الروبوتات باستخدام الشفط متعدد المقاييس
الروبوتات ودراسة الروبوتات هي مجال يتطور باستمرار ويستمر في استكشاف مسارات جديدة لجعل عملياتنا أكثر كفاءة وتحسينًا. غالبًا ما تستلهم هذه الجهود والاستكشافات من الطبيعة ومملكة الحيوان من حولنا. على سبيل المثال، العلماء في جامعة بريستول طوروا كوب شفط روبوتي بقدرات شفط فائقة التكيف تشبه مصاصات الأخطبوط البيولوجية.
آلية الشفط المستوحاة من الأخطبوط في الروبوتات
بدأ كل شيء مع مختبر روبوتات بريستول يدرس بنية مصاصات الأخطبوط البيولوجية التي تظهر مستويات عالية جدًا من قدرات الشفط ويمكنها التثبيت على أي صخرة بأكثر طريقة ممكنة تحسينًا. أدى هذا البحث إلى إنشاء بنية ناعمة متعددة الطبقات ونظام سائل صناعي يمكن أن يتصرف مثل العضلات والهياكل المخاطية للأخطبوط.
أثناء شرح أهم إنجاز لهذا البحث، قال تيانكي يوي، المؤلف الرئيسي للورقة، ما يلي، “أهم تطور هو أننا نجحنا في إظهار فعالية الجمع بين التشكيل الميكانيكي – استخدام المواد الناعمة لتتناسب مع شكل السطح، وختم السائل – انتشار الماء على السطح المتلامس لتحسين قابلية الشفط على الأسطح المعقدة. قد يكون هذا أيضًا السر وراء قدرة الكائنات الحية على تحقيق شفط تكيفي.”
التطور الرئيسي، إذًا، هو الارتقاء إلى مستوى أعلى من طريقة الشفط الاصطناعي الحالية والدخول إلى مجال الشفط التكيفي — القدرة على الالتصاق بأصعب وأكثر الأسطح تعقيدًا. هذا تطلب آلية شفط متعددة، وقد أظهر البحث كيفية تحقيق ذلك.
البحث التاريخي لفهم أفضل لكيفية عمل مصاصات الأخطبوط
فهم كيفية عمل الشفط في الأخطبوطات كان منذ زمن طويل مجال اهتمام للمجتمع العلمي. كان الباحثون يعلمون أن الأخطبوطات يمكنها تحريك مصاصاتها بشكل مستقل وإمساك الأشياء عند الحاجة.
دراسة أجرها باحثون في ليفورنو نظرت إلى الأخطبوطات قبل أكثر من عقد من الزمن واكتشفت أن جوانب وحواف مصاصاتها كانت مبنية بشكل فريد. كانت مصاصاتها تحتوي على أخاديد دقيقة متحدة المركز، مما ساعدها على تشكيل ختم قوي على أي سطح خشن تحت الماء.
يمكن رؤية أخاديد مماثلة في القسم العلوي أيضًا، مما أدى إلى ختم فعال وقوي ولكنه منخفض الضغط.
أثناء الاستقصاء أكثر حول هذه الظاهرة منخفضة الضغط، توصل الباحثون إلى مزيد من الأفكار حول المصاصات. اكتشفوا أنه بينما كانت جوانب وحواف المصاصات لينة، كان الجزء العلوي أكثر صلابة. هذه المرونة الأقل، على الأرجح، ساعدت في توليد ضغط منخفض محليًا، مما جعل الالتصاق أعلى، أقوى، وأكثر كفاءة.
منذ هذا الاكتشاف، كان هناك حديث عن تقليد آليات شفط الأخطبوط في الروبوتات. الآن، يمكننا رؤية الجهود تحقق ثمارها.
آلية الشفط المتعدد وكيف تم اختراقها!
اقترح البحث أن آلية الشفط المتعددة المستوحاة من الأخطبوط يمكن تكرارها من خلال مزيج عضوي من التشكيل الميكانيكي وختم الماء المنظم. المواد الناعمة متعددة الطبقات التي استخدمتها الحل الروبوتي أولاً أنشأت تشكيلًا ميكانيكيًا خشنًا للسطح، مما أدى في النهاية إلى تقليل الفتحات المتسربة إلى ميكرومترات. ثم تم إغلاق هذه الفتحات ذات الحجم الميكروني بإفراز ماء منظم من نظام سائل صناعي.
آثار المستقبل لهذا البحث
أثناء تسليط الضوء على مجالات تطبيقه المحتملة، أشار الباحثون إلى أن هذا التطور قد يمهد الطريق لمقابض روبوتية قادرة على التعامل مع مجموعة متنوعة من الأسطح الجافة المعقدة. وأكدوا أهمية آلية الشفط التكيفي متعدد المقاييس في تطوير استراتيجيات شفط أكثر فاعلية وتكيفًا فريدة، مما قد يؤدي إلى طيف كامل من آليات الالتصاق الناعمة المتعددة الاستخدامات.
أثناء الإشارة إلى التحسين الذي تقدمه هذه الحلول مقارنةً بالحلول الحالية، قال تيانكي يوي:
“الحلول الصناعية الحالية تستخدم مضخات هواء تعمل باستمرار لتوليد الشفط بنشاط، ومع ذلك، فهي صاخبة وتضيع الطاقة.”
الحل الحالي لا يحتاج إلى مضخة، لذا فهو متفوق. وكما توقع مطوروها، سيؤدي هذا الحل إلى مقابض روبوتية من الجيل التالي يمكنها الإمساك بفعالية بأجسام غير منتظمة متنوعة. يخطط الفريق نفسه لتصميم كوب شفط ذكي مع حساسات مدمجة يمكنها تنظيم سلوك الكوب بفعالية.
بينما يُعد هذا البحث والحل المقترح اختراقًا واضحًا، فإن المجتمع العلمي ومجتمع الروبوتات لطالما استلهموا من الأخطبوطات.
المخلوق المدهش: الأخطبوط
التركيب الجيني للأخطبوط فريد جدًا لدرجة أنه يختلف بشكل كبير عن أي مخلوق تقريبًا على هذا الكوكب. دراسة DNA على الأخطبوطات كشفت أن لديها حوالي 33,000 جين، أي ما يزيد بنحو 10,000 جين عن الإنسان. على عكس البشر والعديد من الحيوانات الأخرى التي يمكنها تحسين شيفرتها الجينية، يتمتع الأخطبوط بقدرة مذهلة على تعديل RNA الخاص به.
كان هناك بعض التشابهات مع البشر أيضًا. وساعدتهم هذه التشابهات على أن يصبحوا أكثر ذكاءً مثل البشر.
على سبيل المثال، يمتلك الأخطبوطات مجموعة من الجينات الشبيهة بالبشر التي تسهم في شبكة عصبية في أدمغتهم. تجعلهم هذه الشبكة العصبية قادرين على التكيف مع ظروف متنوعة وسريعي التعلم. بالإضافة إلى ذلك، تعزز قدرتهم على تعديل RNA من قابلية التكيف لديهم، مما يسمح لهم بتحمل البرودة الشديدة في أعماق المحيط.
كما يتضح بصريًا، يمتلك الأخطبوطات دماغًا كبيرًا. ومثل البشر، لديهم نظامًا دوريًا مغلقًا، وعيونًا محمية بالقرنية، وشبكية، وعدسة.
الأخطبوطات أيضًا تمتلك قدرات تمويه من الدرجة الأولى. الآن بعد أن تم فك شفرة جيناتهم، سيصبح من الأسهل على العلماء فهم كيفية تحقيقهم لذلك. يغيرون لون جلدهم في مليثوانٍ، وهي قدرة يمكن للعلماء العصبيين ومهندسي النسيج والمهندسين الإنشائيين الاستفادة منها.
عقل الأخطبوط
العظمة الفسيولوجية للأخطبوط، خاصةً دماغه الكبير، دفعت العلماء إلى دراسة عملياتها الإدراكية بعمق أكبر.
في عام 2016، كتب بيتر جودفري-سميث، أستاذ الفلسفة المتميز في مركز الدراسات العليا، جامعة مدينة نيويورك، وأستاذ تاريخ وفلسفة العلوم في جامعة سيدني بأستراليا، كتابًا بعنوان ‘عقول أخرى: الأخطبوط، البحر وأصول الوعي العميقة.‘ في هذا الكتاب، كتب:
“الأخطبوطات وأقاربها (الحبار والحبار العملاق) تمثل جزيرة من التعقيد العقلي في بحر الحيوانات اللافقارية. منذ أول لقاء لي مع هذه المخلوقات قبل حوالي عقد من الزمن، كنت مفتونًا بالإحساس القوي بالانخراط الذي يمكن أن يحدث عند التفاعل معها.”
في الكتاب، أشار الأستاذ جودفري-سميث إلى أن الأخطبوط العادي يمتلك حوالي 500 مليون خلية عصبية في جسمه. وعلى الرغم من أن هذا أقل بكثير مما لدى البشر—ما يقرب من 100 مليار— فإن الأخطبوط ذكي إلى حد ما حيث يمكنه التنقل في متاهات بسيطة واستخدام الإشارات البصرية بفعالية للتمييز بين بيئتين مختلفتين لكن مألوفتين واختيار أفضل مسار.
إن مزيج الذكاء والخصوصية الفسيولوجية هو ما يجعل الأخطبوطات تبرز عن غيرها. في جوهره، سعى مجال الروبوتات دائمًا لتحقيق هذه الحالة حيث تقوم الأدوات الذكية بأداء مهام معقدة. ليس من المستغرب أن طلاب الروبوتات يواصلون استكشاف هذا المخلوق المدهش. إلى جانب الباحثين المؤسسين، هناك عدة شركات معروفة نشطة في هذا المجال.
#1. ABB
كانت شركة ABB دائمًا مهتمة بتقليد قدرات الأخطبوط في منتجاتها. في عام 2018، أبرمت ABB Technological Ventures، ذراع الاستثمار الاستراتيجي لرأس المال المخاطر في ABB، شراكة مع Soft Robotics، وهي شركة ناشئة من مجموعة Whitesides.
استلهمت Soft Robotics من وظيفة مخالب الأخطبوط، وطورت مشغلات روبوتية ناعمة من بوليمرات تعمل دون الحاجة إلى حساسات أو أجهزة كهروميكانيكية. قامت الشركة ببناء وتضمين القدرة الحاسوبية مباشرةً داخل المقبض نفسه وطورت مزيجًا خاصًا من المواد مع قنوات ميكرو سائلة تحاكي الأنسجة الناعمة لليد البشرية.
يمكن للتطورات الأخيرة في دمج الشفط متعدد المقاييس في الروبوتات المتقدمة أن تعزز فعالية وكفاءة هذه التقنيات.
الأخطبوطات، المعروفة بذكائها العالي وهياكل عيونها المتطورة التي تشبه البشر، ألهمت تطورات هامة في الروبوتات. هذا العام، استحوذت ABB على Sevensense، شركة تقنية سويسرية متخصصة في تعزيز حركة الروبوتات الصناعية من خلال تزويدها بقدرات بصرية وإدراكية.
في السنة المالية 2023، أبلغت مجموعة ABB عن إيرادات قدرها 32.2 مليار دولار أمريكي. كما قامت الشركة باستثمار كبير قدره 1.3 مليار دولار أمريكي في البحث والتطوير. وفي الوقت نفسه، كان هامش EBITA التشغيلي قريبًا من 17٪.
#2. Festo
في مثال آخر، حيث أظهرت شركة رائدة في مجال الروبوتات اهتمامًا وقد تستفيد من الشفط متعدد المقاييس لتعزيز قدراتها، ننظر إلى شركة الروبوتات الألمانية روبوت Festo المستوحى من الأخطبوط.
كان يُطلق عليه في الأصل OctopusGripper، وكان هذا الجهاز الروبوتي قادرًا على التقاط، حمل، ووضع العناصر باستخدام مزيج من المصاصات والهواء. ومنذ ذلك الحين تم إعادة تسميته إلى Tentacle Gripper. تصف الشركة هذا المقبض البيونيكي بأنه هيكل سيليكون ناعم يمكن التحكم فيه هوائيًا. عندما يُزود بالهواء المضغوط، يمكن للمقبض الانحناء إلى الداخل، مما يتيح له الالتفاف حول العناصر بأمان.
من الناحية الهيكلية، يحتوي المقبض على صفين من أكواب الشفط المثبتة داخل مخالب السيليكون. توضع أكواب شفط صغيرة في طرف المقبض، مما يضيف تأثيرًا سلبيًا، بينما تساعد أكواب الشفط الكبيرة، المدفوعة بالفراغ، على التمسك بالشيء بقوة.
اختبرت Festo الروبوت على روبوتين خفيفين هوائيين تم تطويرهما أيضًا في شبكة التعلم البيونيكي: BionicMotionRobot و BionicCobot. وبسبب طبيعتها الحركية، كان كلا الروبوتين مرنين ويمكن تقويتهما بطرق لا حصر لها.
نظرًا لأن المخلب الصناعي تم تطويره من مادة ناعمة، كان بإمكانه الإمساك بلطف ونعومة. ادعت الشركة أن الحل لديه إمكانات كبيرة لبيئات عمل تعاونية مستقبلية.
من حيث الإيرادات، كانت السنة المالية 2023 سنة تجميع للشركة. وفقًا لأحد البيانات الصحفية لشركة Festo، كان حجم مبيعاتها المسجلة أقل قليلًا من مستوى العام السابق (انخفاض 4.3٪ إلى حوالي 3.65 مليار يورو).
بغض النظر عن الانخفاض الطفيف في الإيرادات، ادعت الشركة أنها استمرت في الاستثمار بشكل كبير في البحث والتطوير وتوسيع إمدادات السوق الإقليمية. وعلى وجه التحديد، استثمرت الشركة 7.7٪ من مبيعاتها في البحث والتطوير في عام 2023.
عن الروبوتات المستلهمة من الطبيعة ومملكة الحيوان
اليوم، ناقشنا حالة محددة للروبوتات التي تستلهم من مصاصات الأخطبوط. ومع ذلك، من منظور أوسع، يمكنها الاستلهام من العالم الطبيعي بأكمله المحيط بنا. وهناك العديد من المبادرات الروبوتية المستوحاة من الطبيعة تعمل بالفعل في المجال العام.
على سبيل المثال، في يناير 2024، نُشر بحث يقدم روبوتًا نموًا ذاتيًا مستوحى من استراتيجيات التكيف السلوكي للنباتات المتسلقة لتجول في بيئات غير منظمة. يمكن لهذه الروبوتات أن تحاكي سيقان النباتات المتسلقة العلوية لتستشعر وتنسق النمو التكيفي الإضافي عبر آلية تصنيع إضافية مدمجة وطرف مزود بأجهزة استشعار.
كما جرت أبحاث هامة في مجال المواد المتوافقة مع تصنيع الروبوتات الناعمة. قبل بضع سنوات، طورت مجموعة من العلماء والمهندسين في جامعة مينيسوتا توين سيتيز عملية مستوحاة من النباتات لتمكين نمو المواد الاصطناعية.
يمكن أن الحل أن يساعد الباحثين في تصنيع روبوتات ناعمة محسنة قادرة على التنقل في تضاريس معقدة، حتى داخل جسم الإنسان. وفقًا لماثيو هاوسلادن، المؤلف الأول للورقة، كان الباحثون مستوحين حقًا من طريقة نمو النباتات والفطريات. قال الباحثون:
“نحن (فريق الباحثين) أخذنا الفكرة القائلة إن النباتات والفطريات تضيف مادة في نهاية أجسامها، إما عند أطراف جذورها أو عند سيقانها الجديدة، وقمنا بترجمتها إلى نظام هندسي.”
العالم الطبيعي شهد تغيرات وتحولات لا حصر لها أكثر مما يمكننا أن نتخيل، مع بقاء الحيوانات وتكيفها على مدى آلاف السنين. يجب أن ندرس تقنيات التكيف المذهلة لديهم بدقة ونراقبها بمزيد من التفصيل. إن محاولة تقليدها بروحها الحقيقية سيساعدنا دائمًا على تحقيق أكثر مما يمكننا تخيله في مجالات العلوم والتكنولوجيا.
