محاكاة اللمس من خلال الذكاء الاصطناعي المتقدم – هل هذا ممكن؟

إن الروبوتات في المستقبل سوف تمتلك حواساً مماثلة لنظيراتها البشرية. وبالفعل، هناك خوارزميات للذكاء الاصطناعي تمكن الأجهزة من الرؤية والشم والسمع. وتستفيد هذه التحسينات من أجهزة الاستشعار والخوارزميات المتقدمة لمحاكاة هذه الحواس. ومع ذلك، هناك حاسة واحدة ظلت بعيدة المنال بالنسبة للباحثين حتى الآن: اللمس.

كشفت مجموعة من الباحثين من معهد ستيفنز للتكنولوجيا عن طريقة جديدة تُحاكي حاسة اللمس. إليك ما تحتاج لمعرفته.

لطالما سعى الباحثون إلى محاكاة اللمس عبر الأنظمة الروبوتية. وسيفتح الروبوت الذي يمتلك حاسة اللمس آفاقًا واسعةً لاستخدامات متعددة. ومع تزايد عدد الأشخاص الذين يعملون جنبًا إلى جنب مع هذه الأجهزة، يتزايد الاهتمام بالروبوتات التي تمتلك حاسة "اللمس". ويعتقد المهندسون أن هذه الحاسة أساسية لتحسين الكفاءة والقدرات والسلامة في مكان العمل.

فكر في الروبوتات التي يمكنها أن تكتشف إذا اصطدمت بك وتتصرف وفقًا لذلك. ستسمح هذه القدرة للروبوتات التي تعمل عن كثب مع البشر بتقليل المخاطر وتمكينها من القيام بمهام أكثر دقة كانت تقتصر في السابق على البشر فقط.

محاكاة اللمس من خلال دراسة الذكاء الاصطناعي المتقدم

الدراسة¹، التي نشرت في المجلة البصريات التطبيقيةيكشف البحث كيف تمكن الباحثون من محاكاة اللمس باستخدام الليزر وخوارزمية الذكاء الاصطناعي. وقد جمع الباحثون بين الذكاء الاصطناعي وتكنولوجيا الكم لتحقيق هذا الهدف في مختبر كمي.

توفر التفاعلات الكمومية وفرة من البيانات التي يمكن استخدامها لإنشاء نماذج الذكاء الاصطناعي وتحسينها. يجمع هذا النهج بين التعلم الآلي المتقدم ومسح ضوئي أحادي الفوتون باستخدام تقنية LiDAR، والتغذية الراجعة الكمومية في شكل ضوضاء متقطعة لإنجاز هذه المهمة.

محاكاة اللمس باستخدام الليزر المسحي الذي يطلق الفوتونات

قام الفريق بإنشاء جهاز LiDAR أحادي الفوتون لمسح الشبكة والذي يمكن إعداده للنبض على فترات مختلفة، مما يتيح للمهندسين توثيق أي تغييرات وردود أفعال تنعكس من السطح. كل سطح له انكسارات مختلفة حسب تركيبته. أدرك الباحثون هذه الحقيقة وقرروا أن هذه هي أفضل طريقة لتزويد النظام بشكل مصطنع بالقدرة على إجراء عمليات مسح طبوغرافية بسرعة.

نماذج الذكاء الاصطناعي الخوارزمية

يقوم الذكاء الاصطناعي بمسح السطح باستخدام الليزر الخاص كخطوة أولى. تعمل هذه المناورة على إنشاء صورة مفصلة للعنصر. ستنتج الصورة التفصيلية ردود فعل عشوائية تسمى الضوضاء المرقطة. في الماضي، كانت الضوضاء المرقطة عائقًا أمام الوضوح البصري حيث أدت هذه الاستجابة إلى خفض الدقة.

لاحظ الباحثون أن هذه التغذية الراجعة كانت أكثر من مجرد تداخل، بل وفرت بصمة فريدة لكل سطح بناءً على خشونة سطحه. أُدخلت هذه البيانات إلى نظام الذكاء الاصطناعي، الذي قام بدوره بفك تشفيرها لتحديد أبعاد الهيكل وارتفاعه وخشونته.

المصدر – Magicplan

استخدم الباحثون هذا النظام لمسح أنواع متعددة من الأسطح لبرمجة خوارزمية الذكاء الاصطناعي. وتحديدًا، سجّل النظام البروتونات المتناثرة من نقاط مختلفة على السطح. ومن ثم، تُجمع البيانات وتُشكّل في ليف نمطي يُحصَى عبر كاشف فوتون واحد. يستطيع هذا الجهاز التمييز بين الضوضاء المنقطة والتداخلات الأخرى، مما يُمكّن الباحثين من الاستفادة من هذا التداخل لتحديد نعومة الجسم.

محاكاة اختبار اللمس

لاختبار نظريتهم، بدأ الفريق بإنشاء نظام ليدار أحادي البكسل، مع حساب الفوتونات الفردية. كان هذا الجهاز مثاليًا للبحث لأنه يمكنه إنتاج شعاع ليزر متوازي يمكن إطلاقه في نبضات بيكو ثانية، مما يوفر تغطية دقيقة واستجابة.

قرر المهندسون استخدام 31 ورق صنفرة صناعي كموضوعات للاختبار. بدأوا بالحصول على جميع الأنواع المختلفة من ورق الصنفرة ودرجات الخشونة. على وجه التحديد، تراوح سمك ورق الصنفرة من 1 إلى 100 ميكرون. ثم مرر الليزر نبضات عبر جهاز الإرسال والاستقبال وعلى ورق الصنفرة. تم انكسار الضوء والتداخل مرة أخرى وحسابهما بواسطة نظام الذكاء الاصطناعي.

محاكاة نتائج دراسة اللمس

نتائج هذه الاختبارات واعدة. كانت دقة النظام الجديد في البداية 8 ميكرون، ثم انخفضت إلى 4 ميكرون بعد الضبط الدقيق والتعديلات. والجدير بالذكر أن هذا المستوى من الدقة يضاهي الحلول الرائدة في هذا المجال.

ومن الجدير بالذكر أن النظام بدا وكأنه يعمل بشكل أفضل عندما كان السطح ذو حبيبات دقيقة وليس خشونة كبيرة. ومن المثير للإعجاب أن المهندسين تمكنوا من تحديد بنية سطح ورق الصنفرة بدقة بأقل جهد، الأمر الذي فتح الباب أمام هذه التكنولوجيا لإعادة تشكيل كيفية عمل الصناعات في السنوات القادمة.

محاكاة فوائد الدراسة باللمس

قد يؤدي هذا البحث إلى إطلاق العديد من الفوائد عبر العديد من الصناعات. أولاً، ستوفر هذه الطريقة وفورات هائلة في التكاليف مقارنة بالأنظمة الحالية المستخدمة. بالإضافة إلى ذلك، ستسمح للمصنعين بتقليص أعداد موظفيهم لأن الذكاء الاصطناعي أكثر دقة. ومن شأن هذه المناورة أن تقلل من النفقات العامة وتحسن صافي أرباحهم.

رسم خرائط سطحية سريعة

تُعد سرعة مسح النظام للسطح ميزة إضافية. تتطلب هذه الطريقة مسح الليزر للسطح لبضع لحظات فقط قبل تحديده. وبالتالي، فهي أسرع بكثير وتتطلب جهدًا أقل، مما يسمح للمصنعين بإجراء المزيد من عمليات المسح وتوفير المال.

التكامل منخفض التكلفة

ومن المزايا الرئيسية الأخرى لهذا البحث أنه يوفر حلول تكامل منخفضة التكلفة في السوق. وفي كثير من الحالات، يتم استخدام الليدار لتحديد سلامة البنية الأساسية للمكونات الأساسية. ويمكن لهذا النظام الجديد أن يعزز استخدام الليدار وتمكينه من إجراء قياسات على مستوى الميكرون.

ضبط الجودة

إن الشكل الجديد من المسح السطحي من شأنه أن يحسن من أساليب مراقبة الجودة للمكونات المعقدة والدقيقة. لقد استخدم المهندسون منذ فترة طويلة أنظمة لضمان خلو المكونات الحيوية للطائرات وغيرها من العناصر من العيوب التي قد تتحول إلى مشاكل خطيرة.

الفرز المحسن

إن أجهزة الفرز الآلية مطلوبة بالفعل وتستخدم في جميع أنحاء العالم. ويمكن أن يساعد هذا الترقية هذه الأنظمة على تحسين قدراتها من خلال منحها إحساسًا إضافيًا للاستفادة منه عند تحديد التركيب والفرز المطلوب للمنتج. على سبيل المثال، ستكون يد الروبوت التي يمكنها الشعور قادرة على فحص المنتج لمعرفة مدى تماسكه لتحديد ما إذا كان ناضجًا أم لا.

محاكاة اللمس للباحثين

قاد مهندسون من معهد ستيفنز للتكنولوجيا البحث في نظام طبوغرافيا الليزر. وقد عملوا عن كثب مع مدير CQSE يوبينغ هوانغ كجزء من مشروعهم. بالإضافة إلى ذلك، حصل دانييل تافون ولوكي ماك إيفو على تقدير لجهودهما في المشروع.

التطبيقات المحتملة

هناك العديد من التطبيقات لهذه التقنية. وبالفعل، تلعب تقنية LiDAR دورًا حيويًا في معايير السلامة. ويعمل هذا البحث على تحسين هذه القدرات بشكل كبير وتمكين المهندسين من إجراء مراقبة في الوقت الفعلي لمكونات حيوية لم يسبق لها مثيل.

قطاع الرعاية الصحية

لقد شهدت صناعة الرعاية الصحية طلبًا متزايدًا على الروبوتات التي يمكنها أن تشعر وكأنها بشر. يمكن أن تجد هذه الأنظمة استخدامات متعددة في الصناعة. إحدى حالات الاستخدام المثيرة للاهتمام هي السماح لهذه الأجهزة بمسح الشامات بحثًا عن الأورام الميلانينية القاتلة. يمكن للخوارزمية القائمة على الليزر تحديد الاختلافات الصغيرة التي تجعل شامة واحدة آمنة والأخرى قاتلة محتملة، مما ينقذ حياة الآلاف من المرضى.

تعزيز LiDAR

تُستخدم تقنية LiDAR في مجموعة متنوعة من المنتجات اليوم. تعتمد السيارات الذكية والروبوتات والهواتف الذكية وغيرها من المنتجات على تقنية LiDAR لتعمل كعيون لها. حتى المكنسة الكهربائية الروبوتية الخاصة بك تتضمن شكلاً من أشكال تقنية LiDAR لتجنب العوائق. يمكن أن تساعد هذه التقنية الجديدة الروبوتات الدقيقة على التنقل في بيئات مثل جسم الإنسان وتقديم علاج منقذ للحياة مباشرة إلى المواقع المطلوبة.

الشركات التي يمكن أن تستفيد من هذا البحث

تستطيع العديد من شركات الروبوتات دمج هذه التكنولوجيا وتحسين نتائجها اليوم. إن الروبوتات قطاع سريع النمو يمتد الآن ليشمل كل الصناعات تقريبًا. من إجراء العمليات الجراحية إلى قطف الفاكهة، يمكن أن تشهد هذه الأجهزة دفعة كبيرة مع طرح محاكي اللمس.

سامسارا 

سامسارا (IOT )  هي شركة إنترنت الأشياء مقرها سان فرانسيسكو تسعى إلى إحداث ضجة. تأسست الشركة على يد سانجيت بيسواس وجون بيكيت في عام 2015 لإنشاء وإدارة وتقديم ميزة قوية لعملاء المؤسسات لتتبع ومراقبة الخدمات اللوجستية. واليوم، تقدم الشركة مجموعة واسعة من المنتجات لإنجاز هذه المهمة، بما في ذلك كاميرات القيادة بالذكاء الاصطناعي، وتحسين المسار، وتتبع المعدات، ومراقبة الموقع، والاتصالات عن بعد.

تعد شركة Samsara لاعباً رئيسياً في سوق إنترنت الأشياء (IoT). أجهزة إنترنت الأشياء هي الملايين من الأجهزة الذكية التي تراها قيد الاستخدام اليوم. يمكن أن تكون أي شيء به اتصال بالإنترنت ومستشعر والقدرة على توصيل البيانات. اليوم، يشمل قطاع إنترنت الأشياء مليارات الأجهزة الذكية على مستوى العالم.

تتيح Samsara للشركات دمج هذه الأجهزة في عملياتها اللوجستية لتحسين النتائج والكفاءة والأمان. يمكن استخدام أجهزة إنترنت الأشياء لمراقبة المنتجات في الوقت الفعلي، بما في ذلك حالتها وأصالتها وموقعها وغير ذلك الكثير.

يرى المحللون أن سامسارا في وضع جيد يؤهلها للنمو مع توسع قطاع إنترنت الأشياء. تبلغ القيمة السوقية للشركة 30.433 مليار دولار أمريكي، وتحظى بدعم من بعض أكبر الأسماء في هذا القطاع. والجدير بالذكر أن سهمها كان من بين أفضل اختيارات جامعة هارفارد هذا العام، مما عزز ثقة المستهلكين.

محاولات أخرى لمحاكاة الحواس البشرية

يكشف فحص السباق لجعل الروبوتات تشعر عن بعض التطورات المثيرة للاهتمام. أول ما تلاحظه هو وجود طريقتين مختلفتين للغاية لجعل الروبوتات تكتسب حاسة اللمس. تتضمن الحلول المادية أجهزة يمكنها محاكاة اللمس من خلال تسجيل الضغط والقلب، في حين تدمج الحلول البرمجية خوارزميات تستخدم ردود الفعل لمحاكاة اللمس. فيما يلي بعض الطرق الأخرى التي وجدها الباحثون لإعطاء الروبوتات القدرة على الشعور.

سيراميك عالي الأداء

A الأخيرة دراسة يوضح هذا البحث كيف يمكن دمج جزيئات السيراميك الدقيقة في طبقة مرنة تشبه الجلد لتمكين الجهاز من تسجيل الحرارة والضغط. توفر الجزيئات السيراميكية الصغيرة الطريقة المثالية لنقل النبضات الكهربائية عبر سطح مرن.

وقد شهد هذا البحث قيام المهندسين بتطوير علامات جلدية آلية يمكنها معرفة ما إذا كان الشخص يحتك بها ثم يبتعد عنها. ثم قاموا بعد ذلك بإنشاء طرف اصطناعي ذكي يمكن المستخدم من الشعور بالأسطح والتفاعل وفقًا لذلك. ولاحظوا أن الجلد الآلي الذي ابتكروه قادر على تسجيل اللمس باستخدام هذه النبضات حتى أدق إعدادات الضغط.

الأعصاب الاصطناعية

وفي أكتوبر/تشرين الأول، حدث تقدم مثير آخر في مجال اللمس الآلي عندما نجح فريق من المهندسين من مجموعة أبحاث جينان باو التابعة لجامعة ستانفورد في إنشاء عصب اصطناعي. وقد صُمم الجهاز المصنوع من صنع الإنسان ليعمل تمامًا مثل نظيره البشري من حيث أنه يسمح للروبوتات بالاستجابة للمس بشكل فعال.

يعتمد النظام على نظام عصبي اصطناعي يمكن تقسيمه إلى ثلاثة مكونات. تعمل المستقبلات الميكانيكية كمستشعرات ضغط مقاومة. وهناك أيضًا مذبذبات حلقية عضوية، تعمل بشكل مشابه للخلايا العصبية، وترانزستورات كهروكيميائية عضوية تمكن النظام بأكمله من العمل.

سترة روبوت

قدمت جامعة كارنيجي ميلون سترة روبوتية من شأنها أن تجعل الروبوتات الصناعية أكثر أمانًا. والجدير بالذكر أن أنظمة السلامة الحالية غالبًا ما تتطلب إضافة قطع صلبة إلى الروبوتات. تكمن مشكلة هذا النهج في صعوبة تغطية الروبوتات بالكامل، إذ يجب أن تبقى أجزاؤها المتحركة مرنة. وقد دفعت هذه الرغبة الباحثين إلى التفكير في نسيج يشبه السترة كحلٍّ لهذه المشكلة.

سترة الروبوت هي غطاء محبوك آليًا يمكن أن يتناسب مع أي شكل ثلاثي الأبعاد. وبالتالي يمكن صنعه لتوفير الحماية الكاملة للروبوتات وزملائها من البشر. يعمل الجهاز باستخدام طبقتين من الألياف المعدنية مدمجة في سطحه. كلما لمس الإنسان السترة، فإنه يغلق الدائرة، مما ينبه الروبوت بالحادث ويحفز الاستجابة.

مستقبل محاكاة الروبوتات اللمسية

الروبوتات القادرة على محاكاة اللمس هي المستقبل. ستفتح هذه الأجهزة الباب لمزيد من التكامل مع زملاء العمل من البشر. سيؤدي هذا التطور إلى ظهور روبوتات تعمل على تحسين السلامة وتوفير التمويل وتزويد العديد من الصناعات بحلول للمشاكل طويلة الأمد. وبالتالي، فإن الطلب على الروبوتات القادرة على محاكاة اللمس سيزداد على مدار السنوات القادمة. في الوقت الحالي، يجب أن تتوقع رؤية المزيد من زملاء العمل الروبوتيين في الأشهر المقبلة.

تعرف على مشاريع الروبوتات الرائعة الأخرى الان.

مرجع الدراسة:

^{1. Tafone، D.، McEvoy، L.، Sua، YM، & Huang، Y.-P. (2024). قياس خشونة السطح باستخدام LiDAR أحادي الفوتون المسحي. البصريات التطبيقية، 63(شنومكس)، شنومكس-شنومكس. https://doi.org/10.1364/AO.537404}