تعزيز الروبوتات الناعمة باستخدام “الطاقة المتجسدة” يفتح إمكانيات جديدة

الروبوتات هي سوق سريعة النمو، متوقع أن تتوسع من 94.54 مليار دولار في 2024 لتتجاوز 372.59 مليار دولار بحلول 2034. 

الروبوتات الصناعية هي الحالية التي تقود هذا النمو. اليوم، أكثر من 3.4 مليون روبوت صناعي يعمل لجعل حياتنا أسهل. كما تخطط الشركات الصناعية لاستثمار 25٪ من رأس مالها في الأتمتة الصناعية خلال السنوات الخمس القادمة.

مع استمرار الروبوتات في اكتساب الزخم، فإن فرعًا فرعيًا من الروبوتات يجذب أيضًا انتباه الباحثين. مع زيادة الطلب على الروبوتات في التطبيقات خارج الأتمتة الصناعية، يزداد الاهتمام بفرع الروبوتات الناعمة.

هذه الروبوتات تحاكي آليات الحركة للأجسام الناعمة والمرنة الموجودة في الطبيعة، مثل الثعابين، الديدان الأرضية، الأنقليس، الأخطبوطات، وغيرها.

الروبوتات الناعمة تستلهم الإلهام من الهياكل البيولوجية لهذه الأجسام الناعمة لحركتها السلسة والمعقدة. بدلاً من استخدام مكونات صلبة ومعدنية كما في الروبوتات التقليدية، تُصنع الروبوتات الناعمة عادةً من مواد مرنة مثل الجل والمطاط. هذا يسمح لها بالتكيف مع البيئات المعقدة والتفاعل مع البشر بأمان.

من أجل تحريكها، تُستخدم عدة طرق مختلفة، مثل التحفيز الحراري، الإشارات الكهربائية، وضغط الهواء، وغيرها. عادةً ما توجد مصادر تنشيطها خارج جسم الروبوت وتتحكم في حركتها.

توفر هذه الروبوتات فوائد التكيف والسلامة المتزايدة. إن استخدام مواد مرنة وخفيفة الوزن يجعل هذه الآلات مناسبة للتفاعل المباشر مع البشر لأنه يقلل من خطر الإصابة. هذا يجعلها مفيدة للغاية في تطبيقات مثل الرعاية الصحية والتقنية القابلة للارتداء.

وجود مفاصل مرنة ومقابض ناعمة يمكّن هذه الروبوتات من الانحناء والالتواء والتمدد بسهولة. القدرة على تنفيذ حركات بيولوجية تجعلها صالحة للمهام التي قد لا تكون آمنة للبشر أو تتطلب درجة عالية من التحكم. كما أن مرونتها الهيكلية ومهارتها تجعلها مناسبة للتعامل مع الأشياء الهشة وأداء مهام دقيقة أخرى.

ولكن بالطبع، تواجه الروبوتات الناعمة تحديات مثل القوة المحدودة، الدقة المنخفضة، المتانة القليلة، صعوبة التصنيع والتوسيع، والحاجة إلى خوارزميات متقدمة وأنظمة استشعار واسعة.

ومع ذلك، نظرًا لأن قدرة الروبوتات الناعمة تتطابق بشكل كبير مع الكائنات البيولوجية الناعمة، فهي ميزة واعدة في مجموعة متنوعة من المجالات مثل الرعاية الصحية، الزراعة، البحث والإنقاذ، واستكشاف الفضاء.

تم تطوير عدة روبوتات ناعمة واعدة بالفعل. على سبيل المثال، روبوت المجسات من جامعة هارفارد، الذي يمتلك مقبضًا ناعمًا يشبه قنديل البحر يمكنه الإمساك بلطف بالأشياء الهشة من خلال تقليد آلية الشعر المجعد.

في مجال الرعاية الصحية، يمتلك K-FLEX من معهد كوريا المتقدم للعلوم والتكنولوجيا القدرة على إجراء جراحة منظارية خالية من الندوب، ويمكن لقلب MIT البيونيكي مساعدة المتخصصين الطبيين على دراسة أمراض القلب والأوعية الدموية وتحديد أفضل مسار علاج للمرضى.

تُستخدم الروبوتات الناعمة أيضًا لاستكشاف المحيطات. قبل بضع سنوات، قدم باحثون صينيون روبوتًا ناعمًا ذاتيًا الطاقة يمكنه الوصول إلى أعمق نقطة — خندق ماريانا. أما بالنسبة لاستكشاف الفضاء، فإن الروبوتات الناعمة الحفّارة المدعومة من NASA يمكنها التنقل في التضاريس الرملية وربما تُرسل يومًا ما لاستكشاف أقمار المشتري.

مع تقدم الأبحاث حول الروبوتات الناعمة، يمكن توقع أن تحل محل الروبوتات الصلبة في تطبيقات مختلفة. 

تطور أنواع الروبوتات الناعمة

قدمت دراسة جديدة من كلية الهندسة بجامعة كورنيل روبوتًا زاحفًا بريًا غير مقيد مع نظام طاقة نمطي مدمج عبر جسمه الناعم. 

قبل إنشاء هذا الروبوت الشبيه بالديدان، بنى المختبر روبوتًا شبيهًا بقنديل البحر بالتعاون مع مجموعة Archer من كلية الهندسة بجامعة كورنيل. كلاهما من سلالة مباشرة لروبوت ناعم مائي تم تقديمه قبل ست سنوات. 

في عام 2019، قدم باحثو جامعة كورنيل ورقة¹ paper بعنوان “أنظمة الأوعية الكهروليلتيكية للروبوتات ذات الكثافة الطاقية العالية.” النظام، الذي محاكاة بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال، جمع بين وظائف نقل القوة الهيدروليكية، والتحريك، وتخزين الطاقة في تصميم واحد زاد من كثافة الطاقة للروبوت لتمكين تشغيله لمدة تصل إلى 36 ساعة. 

من أجل ذلك، استلهم الباحثون من سمكة الأسد، التي تستخدم زعانفًا متموجة تشبه المروحة للتحليق عبر بيئات الشعاب المرجانية.

في ذلك الوقت، أشار الباحثون إلى أن “استخدام تخزين الطاقة الكهروكيميائية في السوائل الهيدروليكية يمكن أن يسهل زيادة كثافة الطاقة، والاستقلالية، والكفاءة، والوظائف المتعددة في تصاميم الروبوت المستقبلية.”

قبل بضعة أشهر، صدر ورقة جديدة² بعنوان “الاستخدام المتعدد الوظائف لبطارية مائية لروبوت قنديل بحر عالي السعة”،. هذه المرة، تم تشكيل بطارية تدفق أكسدة واختزال (RFB) على شكل قنديل بحر، مما يتيح استخدامًا متعدد الوظائف للطاقة. 

قناديل البحر تتكون في الغالب من مادة تسمى “المسوجليا”، التي تعمل كهيكل داخلي. تجعل هذه المادة جسم القنديل مرنًا وتساعد على استعادة شكله بعد تشوهه نتيجة انقباض العضلات. تتكون المسوجليا من ألياف دقيقة تحتوي على الفايبرلين يستخدمها القنديل لتشغيل عضلاته بالإضافة إلى تمكينه من الحركة والتغذية.

تم تشغيل الروبوت بالكامل بواسطة بطاريات تدفق أكسدة واختزال (RFB) ذات كثافة طاقة حجمية ومساحية مرتفعة، مما أدى إلى عمر تشغيلي طويل للروبوتات تحت الماء (UUVs) المكوّنة أساسًا من سائل، وهو غني بالطاقة كيميائيًا.

الآن، تطورت الأبحاث³ أكثر، كما حدث مع الحياة البرية، مدفوعة بتطور البطاريات وتصميمها.

“هذا هو كيفية تطور الحياة على الأرض. تبدأ بالسمكة، ثم تحصل على كائن بسيط مدعوم بالأرض. الدودة كائن بسيط، لكنه يمتلك مزيدًا من درجات الحرية.”

نفس “دم الروبوت”، أي السائل الهيدروليكي الذي خزن الطاقة وقام بتشغيل تطبيقات الروبوتات السابقة، يدعم الآن النوع الجديد من الروبوت. هذه المرة، حسّن الباحثون التصميم لتحقيق سعة بطارية أعلى وكثافة طاقة أكبر.

أشار شيبرد إلى أن القنديل يمتلك سعة أكبر بالنسبة لوزنه. هذا زاد من مدة زمنية يمكن لسمك الروبوت أن يسبح فيها، والتي كانت أطول من السمكة الحقيقية. الآن، النسخة الأولى فوق الأرض هي الدودة، التي تحصل على دعم طافي عندما تكون تحت الماء ولا تحتاج إلى هيكل عظمي، مما يعني أنها لا تحتاج إلى أن تكون صلبة.

انقر هنا لتعرف ما إذا كانت السيراميك هي المفتاح لتوسيع الحواس في الروبوتات الناعمة.

الطاقة المتجسدة التي تشغل الروبوتات الناعمة

مع تزايد الطلب على مرونة أكبر في الروبوتات، ستزداد تعقيدها أيضًا. هذا يعني زيادة في كثافة الاستشعار ودرجات الحرية (DoF)، وهي الحركة المستقلة للجسم.

وبالتالي، من المحتمل أن يزداد استهلاك الطاقة للروبوتات أيضًا، مما يجعل سعة الطاقة عاملاً مهمًا يجب أخذه في الاعتبار.

هنا يأتي دور الطاقة المتجسدة. إنها استراتيجية تصميم تحسن مستوى كثافة الطاقة في النظام من خلال الاستخدام المتعدد الوظائف لمصادر الطاقة المدمجة. هذه المقاربة تشمل أساسًا مصادر الطاقة داخل جسم الآلة، مما يقلل من تكلفتها ووزنها.

يعرض روبوت الدودة النموذجي الذي بنته مختبر الروبوتات العضوية وقنديله فوائد هذه “الطاقة المتجسدة”.

من خلال تجسيد الطاقة المخزنة في البطاريات كجزء أساسي من هيكل الروبوت وآلياته، تمكن الباحثون من تحقيق نتائج أفضل. أشارت الدراسة إلى:

“إن تجسيد مصدر طاقة داخل وحدات مشغلات الأوتار المدفوعة بالمحرك يوفر وحدة عضلية اصطناعية يمكن دمجها في روبوتات قادرة على عمل طويل الأمد ومفيد.”

كلا الروبوتين يحتويان على بطارية تدفق أكسدة واختزال (RFB)، وهي نوع من الأنظمة الكهروكيميائية التي تخزن الطاقة المقدمة من مكونين كيميائيين مذوبين في سائل.

في حالة الروبوت على شكل قنديل البحر، تم بناء الـRFB باستخدام وتر. عندما يُسحب الوتر، يتغير شكل الجرس ويدفع المخلوق صعودًا، ثم يغوص مرة أخرى عندما يرتاح الجرس.

الأهم من ذلك، يتميز روبوت القنديل بزوج من بطاريات التدفق الأكسدة/الاختزال: يوديد الزنك (ZnI2) وبروميد الزنك (ZnBr2). تمت إضافة البروم إلى اليود في إحدى البطاريات لتعزيز نقل الأيونات، مما زاد من سعة البطارية وكثافة الطاقة. نتيجة لذلك، أصبح روبوت القنديل أسرع وأكثر رشاقة، مع عمر تشغيلي يبلغ حوالي 90 دقيقة.

الآن، لتجنب مشكلة تراكم الشُعَيْن على الأساسات الكهربائية للبطاريات، والتي تعيق الشحن والتفريغ, استخدم الباحثون الجرافين. سمح تطبيق الجرافين لهم بمطابقة مستويات البلورات بشكل أفضل وتغليف الزنك بشكل أكثر تساويًا.

يتميز روبوت الدودة بتصميم مقسم إلى أقسام. جسم الدودة عبارة عن سلسلة من الكبسولات المترابطة، يحتوي كل منها على محرك ومشغل وتر للسماح للدودة بضغط وتوسيع شكلها. كل كبسولة تحتوي أيضًا على مجموعة من أكياس الأنوديت مغمورة في الكاثوديت.

كان عنصرًا أساسيًا في التصميم هو استخدام طريقة الالتصاق الجاف لربط فواصل نافيون تلقائيًا بجسم الدودة المصنوع من بوليمر سيليكون-يوريثان المشترك. تحافظ الفواصل على فصل الأنوديت والكاثوديت مع السماح بانتقال الشحنة بينهما، مما يدفع الإلكترونات عبر المحرك.

“هناك الكثير من الروبوتات التي تعمل بالطاقة الهيدروليكية، ونحن أول من يستخدم السائل الهيدروليكي كبطارية، مما يقلل الوزن الكلي للروبوت، لأن البطارية تخدم هدفين: توفير الطاقة للنظام وتوفير القوة لتحريكه. لذا يمكنك الحصول على أشياء مثل الدودة، حيث تكون الطاقة تقريبًا كلها، لذا يمكنها السفر لمسافات طويلة.”

– Shepherd

عند اختبار روبوت الدودة، وجد الباحثون أنه يمكنه الزحف على الأرض وكذلك الصعود والنزول داخل أنبوب عمودي. بينما يمكن لروبوت الدودة التنقل في مسار مغلق ومنحني والصعود والنزول، فإنه بطيء إلى حد ما، لكنه لا يزال أسرع من الروبوتات الدودية الأخرى التي تعمل هيدروليكيًا. في شحنة واحدة، تستغرق الدودة 35 ساعة لقطع 105 أمتار.

وفقًا للباحثين، يمكن أن تجد الدودة تطبيقها في استكشاف بيئات مقيدة مثل الممرات الطويلة والضيقة وربما إجراء الإصلاحات. أما بالنسبة للقنديل، فيمكن استخدامه في استكشاف المحيطات.

بدعم من مكتب الأبحاث البحرية وبرنامج العلوم الأساسية للطاقة التابع لوزارة الطاقة، هذا البحث هو مجرد البداية، حيث ستركز أعمالهم المستقبلية على بطارية تدفق أكسدة واختزال سائلة بالكامل. أشارت الدراسة إلى أن بطارية البوليسلفيد-اليود، ذات الكثافة الطاقية العالية والتكلفة المنخفضة، تظهر وعدًا خاصًا لتطبيقات الروبوتات الناعمة.

في النهاية، يهدف الفريق إلى بناء روبوتات ذات طاقة متجسدة عالية السعة. هذه الروبوتات المستقبلية ستحصل أيضًا على هياكل عظمية ويمكنها حتى المشي، مما ينتج روبوتات تشبه البشر.

“كائن غير كامل. لكنه لا يزال يؤدي بشكل جيد.”

– Shepherd

الشركات ذات الصلة

الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات المتداولة علنًا التي تساعد في تقدم مجال الروبوتات. 

1. iRobot Corporation

شركة روبوتات استهلاكية عالمية، iRobot تشارك في تصميم، بناء، وبيع الروبوتات المتينة. تشمل منتجاتها Roomba و Braava و Root. باعت iRobot عشرات الملايين من روبوتاتها حول العالم.

مع رأس مال سوقي يبلغ 231 مليون دولار، يتداول سهم iRobot حاليًا بسعر 7.59 دولار، بانخفاض 2.45٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) هو -4.60، بينما نسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) هي -1.64.

في الآونة الأخيرة، أفادت الشركة بنتائجها المالية الأولية للربع الرابع من عام 2024، حيث تتوقع إيرادات قدرها 171 مليون دولار وخسارة تشغيلية وفق GAAP قدرها 59 مليون دولار. كما تتوقع أن تكون النقدية والنقد المعادل في نهاية السنة المالية 2024 حوالي 134 مليون دولار.

قال الرئيس التنفيذي غاري كوهين إن النتائج “تعكس إنفاقًا ترويجيًا موسميًا أعلى من المتوقع لتحفيز المبيعات قبل إطلاق منتجاتنا الجديدة في 2025.” كما صرح أن iRobot “غيرت جذريًا طريقة الابتكار والتطوير وبناء روبوتاتنا”، وأن الإطلاقات المخطط لها “المصممة لإثارة حماس المستهلكين بروبوتات غنية بالميزات وتحسين تجربة المنتج للمستهلك” تسير وفقًا للخطة لإصدارها هذا العام.

2. Teradyne

مورد عالمي لمعدات الاختبار الآلية وحلول الروبوتات، تعمل Teradyne عبر أربعة أقسام يركز كل منها على أشباه الموصلات، المنتجات اللاسلكية، الأنظمة التي تغطي التخزين والفضاء ولوحات الدوائر، والروبوتات التي تشمل الأذرع الروبوتية، الروبوتات المتنقلة الذاتية، وبرمجيات التحكم الروبوتية المتقدمة.

نشرت الشركة أكثر من 80,000 نظام روبوتي متقدم حول العالم واستثمرت أكثر من 700 مليون دولار في الروبوتات المتقدمة والأتمتة. تُسهل روبوتات MiR من Teradyne النقل الداخلي ومناولة المواد، بينما تدعم الروبوتات التعاونية (cobots) مجموعة واسعة من التطبيقات. تمكّن حلول الأتمتة الخاصة بها الشركات من تحسين كفاءتها التشغيلية من خلال دمج قوة الآلات.

مع رأس مال سوقي يبلغ 18.74 مليار دولار، يتداول سهم Teradyne حاليًا بسعر 116 دولارًا، بانخفاض 8.61٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) هو 3.32، بينما نسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) هي 34.68. تدفع الشركة عائد توزيعات بنسبة 0.42٪.

في الربع الرابع من عام 2024، أبلغت الشركة عن إيرادات قدرها 753 مليون دولار، منها 98 مليون دولار من قطاع الروبوتات والبقية من قطاع أشباه الموصلات. صافي الدخل وفق GAAP للربع كان 146.3 مليون دولار أو 0.90 دولار للسهم المخفف.

نسب الرئيس التنفيذي غريغ سميث هذا النمو إلى قوة الحوسبة الذكائية الاصطناعية والذاكرة المرتبطة بها، بينما تفوقت قطاعات الهواتف المحمولة والصناعات المتنقلة/الصناعية على التوقعات. من المتوقع تسارع الإيرادات هذا العام، وتخطط Teradyne لإعادة توجيه أعمالها في مجال الروبوتات استراتيجيًا لتعزيز تجربة العملاء ودفع الكفاءة التشغيلية.

3. Zimmer Biomet

شركة تكنولوجيا طبية عالمية، Zimmer Biomet (ZBH ) تشارك في المنتجات البيولوجية، طب الرياضة، الأطراف، منتجات الصدمات، المنتجات الجراحية، ومجموعة من التقنيات الروبوتية التي تستخدم البيانات، تحليلات البيانات، والذكاء الاصطناعي. 

مع رأس مال سوقي يبلغ 22 مليار دولار، يتداول سهم Zimmer Biomet حاليًا بسعر 110.10 دولار، بارتفاع 4.72٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) هو 5.25، بينما نسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) هي 21.07. تدفع الشركة عائد توزيعات بنسبة 0.87٪.

في الربع الثالث من عام 2024، أبلغت الشركة عن صافي مبيعات قدرها 1.824 مليار دولار، بزيادة 4٪ عن الفترة السابقة، بينما بلغ صافي أرباحها 249.1 مليون دولار. كان ربح السهم المخفف للربع $1.23، بينما كان ربح السهم المخفف المعدل $1.74. بعد هذا “الأداء القوي”، صرح الرئيس التنفيذي إيفان تورنوس أنهم سيستمرون في تعزيز “مهمتهم لمساعدة ملايين الأشخاص على تخفيف الألم وتحسين جودة حياتهم”.

خلال هذه الفترة، استحوذت الشركة على OrthoGrid Systems، شركة تكنولوجيا طبية تركز على أنظمة التوجيه الجراحي المدفوعة بالذكاء الاصطناعي لاستبدال مفصل الورك بالكامل. وهي الآن على وشك الاستحواذ على Paragon 28 ، شركة أجهزة طبية، في صفقة بقيمة 1.1 مليار دولار لعلاج أمراض القدم والكاحل.

الخلاصة

مع تزايد الطلب على الأتمتة والكفاءة، تزداد أيضًا شعبية الروبوتات. في ظل هذا النمو القوي، يشهد فرع الروبوتات الناعمة الكثير من الابتكار، مما يفتح تطبيقات جديدة في الرعاية الصحية، الاستكشاف، والأتمتة الصناعية. 

تطور الروبوتات الناعمة—الذي يجمع بين التكيف المستوحى من الكائنات الحية والطاقة المتجسدة—يحمل القدرة على تجاوز القيود الطويلة الأمد في المتانة وكفاءة الطاقة. مع استمرار الباحثين، بدعم من المبادرات الحكومية، في تحسين تصميم الروبوتات ومصادر الطاقة المتعددة الوظائف، تصبح هذه الآلات حقيقة تدريجية، مما يحسن الوصولية والكفاءة والسلامة.

انقر هنا لتعرف كيف ستستفيد الروبوتات الناعمة من الفوم السائل.