أيدي مثل الإنسان: تقنية التصنيع الإضافي الجديدة تساعد الروبوتات الناعمة على أن تصبح واقعية

في المشهد المتطور بسرعة للروبوتات، تظهر جبهة جديدة تعد بإعادة تشكيل فهمنا للمجال: الروبوتات الناعمة. هذا النهج المبتكر يحرز تقدماً بفضل تقنيات التصنيع الإضافي المتقدمة. 

في هذه المقالة، نستكشف عالم الروبوتات الناعمة ونفحص كيف تدفع التطورات الأخيرة في التصنيع الإضافي هذه التقنية إلى الأمام.

ما هي الروبوتات الناعمة؟

تحاول الروبوتات الناعمة إدخال تقنيات تشبه أكثر الخصائص الفيزيائية للكائنات الحية، مستبدلةً الحركات الصلبة التي نربطها بالروبوتات. تُعتبر شكلاً من أشكال التقليد الحيوي حيث تُستبدل الميزات الخطية والصلبة التقليدية بنماذج متطورة، وتقلد الروبوتات الناعمة حياة الإنسان والحيوان والنبات. 

يقدّر الباحثون أن سوق الروبوتات الناعمة سيصبح فرصة كبيرة بشكل ملحوظ في المستقبل، حيث سيزداد حجمه من أكثر من 770 مليون دولار أمريكي في 2022 إلى ما يقرب من 22 مليار دولار أمريكي بحلول 2030. وهذا يعني نمواً هائلاً بنحو 75٪ CAGR. 

وفقاً لمختبر هارفارد بيو ديزاين، الذي يساعد على فهم تقنية الروبوتات الناعمة كمنظمات سائلة ذات مصفوفات إلاستومرية مع مواد مرنة مدمجة مثل القماش والورق والألياف والجسيمات، من المتوقع أن تصبح الروبوتات الناعمة شائعة بفضل خفتها، وتكلفتها المعقولة، وسهولة تخصيصها للتطبيق المحدد. 

بعض تطبيقات الروبوتات الناعمة

يقدّر مختبر هارفارد بيو ديزاين أن هناك أربعة ملايين من الناجين من السكتة الدماغية المزمنة مع شلل نصفي في الولايات المتحدة اليوم، وستة ملايين آخرين في دول متقدمة أخرى حول العالم. غالباً ما يفقد هؤلاء الناجون القدرة الحركية لأيديهم. قد تساعد الروبوتات الناعمة في معالجة هذا التحدي من خلال تطوير جهاز إعادة تأهيل يد منزلي، آمن، قابل للنقل، استهلاكي، ومساعد. 

في الولايات المتحدة، خطر الإصابة بفشل القلب على مدى الحياة يقترب من 20%. باستخدام تقنية الروبوتات الناعمة، يطور المختبر محاكي قلب مكتبي وجهاز ضغط قلبي مباشر (DCC) سيساعد في علاج فشل القلب. 

مع كل هذه التطبيقات المفيدة وغيرها، يمكن للروبوتات الناعمة أن تلعب دوراً كبيراً في جهود إعادة تأهيل المرضى وتحسين جودة الحياة على مستوى العالم. أي تقنية تساعد على تقدم الروبوتات الناعمة هي بالتالي تقنية إيجابية. سنناقش اليوم بعض تقنيات التصنيع هذه. 

تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي في الروبوتات الناعمة

الطباعة ثلاثية الأبعاد, also known as additive manufacturing, is about developing three-dimensional objects from a digital file. It is called additive manufacturing because of its inherent development process. 

في عملية التصنيع الإضافي، يتم تطوير الجسم عن طريق وضع طبقات متتالية من المادة حتى يتم الحصول على الشكل النهائي للجسم المطلوب. 

كل واحدة من هذه الطبقات ليست سوى مقطع رفيع مقطوع من الجسم المطلوب. يختلف التصنيع الإضافي عن أسلوب التصنيع التقليدي القائم على القطع، حيث تُقطع أجزاء من الشكل والحجم المطلوب من كتلة كبيرة من المادة الأصلية. 

عادةً ما تشمل الطباعة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي نموذجًا ثلاثي الأبعاد، وبرمجية ثلاثية الأبعاد، وطابعة ثلاثية الأبعاد. لقد وجدت العملية تطبيقات بالفعل في تصنيع المنتجات الاستهلاكية، والمنتجات الصناعية، والمنتجات السنية، والأطراف الصناعية، ونماذج ومقاييس معمارية، وحفريات معاد بناؤها، ونسخ من القطع الأثرية القديمة، وأدلة معاد بناؤها في علم النفس الجنائي، وملحقات الأفلام، وأكثر. 

الآن، وجدت تطبيقاً في المجال الأكثر تطوراً للروبوتات الناعمة. وقد جعلت جامعة ETH زيورخ وشركة ناشئة أمريكية، Inkbit، ذلك ممكنًا. 

بينما Inkbit هي شركة ناشئة من فرع MIT، تعود جامعة العلوم والتكنولوجيا ETH زيورخ إلى عام 1855، “عندما أسس مؤسسو سويسرا الحديثة الجامعة كمركز للابتكار والمعرفة”. 

انقر هنا لتتعرف على كل ما يتعلق بالاستثمار في الطباعة ثلاثية الأبعاد/التصنيع الإضافي.

التقنية بالتفصيل

الاختراق

الاختراق الذي حققته أبحاث ETH زيورخ وInkbit هو توسيع نطاق المواد التي يمكن استخدامها في التصنيع الإضافي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد. بينما كانت التقنية في السابق محدودة على البلاستيكات سريعة التجفيف فقط، أصبحت الآن مناسبة للبلاستيكات بطيئة التجفيف أيضاً. هناك العديد من المزايا لهذا التوسيع. 

الفوائد

• البلاستيكات بطيئة التجفيف تتمتع بخصائص مرنة محسنة.
• إنها أكثر متانة وقوة.
• البلاستيكات بطيئة التجفيف تجعل من الممكن طباعة عناصر روبوتية معقدة وأكثر متانة.
• التقنية متوافقة مع مجموعة متنوعة من المواد عالية الجودة
• التوسيع يجعل من الأسهل دمج المواد الناعمة والمرنة والصلبة.

And finally,

• إنها تلبي المتطلبات لإنشاء هياكل دقيقة وأجزاء ذات تجاويف حسب الحاجة. 

التطبيق

مع البلاستيكات بطيئة التجفيف، أصبح من الممكن دمج فوائد الروبوتات الناعمة والتصنيع الإضافي وإنشاء تآزر سيفيد البشرية لفترة طويلة. 

نجح الباحثون في ETH زيورخ في ابتكار يد روبوتية تمتلك جميع خصائص الفسيولوجيا البشرية، مثل العظام والأربطة والأوتار. على الرغم من صُنعها من بوليمرات مختلفة، يمكن إنتاج المنتج النهائي في عملية واحدة. 

وفقاً للباحثين، لم يكن ذلك ممكنًا لولا إمكانية تضمين البوليمرات بطيئة التجفيف. وفقاً لتوماس بوخنر، طالب دكتوراه في مجموعة أستاذ الروبوتات في ETH زيورخ، روبرت كاتزشمان، والمؤلف الأول للدراسة:

“نحن الآن نستخدم بوليمرات الثيولين بطيئة التجفيف. هذه تتمتع بخصائص مرنة جيدة جدًا وتعود إلى حالتها الأصلية بسرعة أكبر بعد الانحناء مقارنةً بالبولياكريلات.”

إن إدراج بوليمرات الثيولين كان له تأثير كبير في إنتاج اليد وفقاً لمبادئ الروبوتات الناعمة. لأن اليد الروبوتية ناعمة كاليد البشرية الحقيقية، فإن خطر الإصابة يقل ويمكنها التعامل مع البضائع الهشة بشكل أفضل. 

لدمج الروبوتات الناعمة والتصنيع الإضافي في نفس العملية، اضطر الباحثون إلى إدخال بعض التعديلات على تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. أضافوا ماسحًا ليزريًا ثلاثي الأبعاد إلى الطباعة، يمكنه فحص كل طبقة مطبوعة فورًا للكشف عن أي عيوب سطحية محتملة. 

كما قدم الباحثون آلية تغذية راجعة لتعويض هذه العيوب. ساعدت هذه الآلية في إجراء التعديلات اللازمة على طبقة واحدة، مع الأخذ في الاعتبار عدم انتظام الطبقة السابقة إذا وجدت. 

استعانت ETH زيورخ بشركة Inkbit، الشركة الناشئة الأمريكية، لتطوير هذه التقنية الطباعة.

Inkbit: شركة تقنية الطباعة الناشئة

تأسست في عام 2017 بواسطة دافيدي م. ماريني، خافيير راموس، ووجيتش ماتوسيك، Inkbit هي شركة ناشئة من السلسلة B ومقرها ميدفورد، ماساتشوستس، الولايات المتحدة. هدف الشركة هو إنشاء منصة تصنيع إضافي من الجيل التالي تجمع بين الطباعة ثلاثية الأبعاد والرؤية الآلية. تواصل الشركة الابتكار وتطوير حلول جديدة في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد. على سبيل المثال، خلال منتصف نوفمبر من هذا العام، عرضت تصنيعًا بطباعة واحدة لأنظمة متعددة الوظائف ومعقدة وروبوتات. 

قبل أسبوع، قدمت الشركة TEPU 50A، وهو إيلستومر جديد بصلابة وسطية ناعمة. 

هناك عدة لاعبين آخرين في المجال يخدمهم Inkbit. جميعهم معًا يسعون إلى دفع التقدم في الروبوتات الناعمة من خلال تقنيات تصنيع إضافية جديدة.

الشركات ذات تقنيات التصنيع الإضافي التحويلية التي تساعد على تقدم الروبوتات الناعمة

#1. Flashforge

مؤخرًا، تم تطوير مقبض ناعم معياري مطبوع ثلاثيًا باستخدام طباعة ثلاثية الأبعاد مع مقبض ناعم عالي التوافق. تم تكوين الأصابع من مشغلات هوائية ناعمة ذات ضغط إيجابي إلى جانب مادة ميتامادية ميكانيكية. دمجت المادة الميتامادية بنية أُكسيتية ناعمة وأضلاع مرنة. تم استخدام طابعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة ومفتوحة المصدر نمذجة الترسيب المنصهر من شركة FlashForge. 

تأسست في عام 2011، Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD هي واحدة من أولى الشركات المتخصصة في البحث والتطوير وتصنيع معدات ومواد الطباعة ثلاثية الأبعاد في الصين. Flashforge تنتقل منتجاته إلى ما يقرب من 100 دولة وإقليم حول العالم. 

قامت بتطوير أكثر من 600 موزع علامة تجارية في أكثر من 50 دولة وإقليمًا محليًا ودوليًا. 

تركز FlashForge USA على جعل الطباعة ثلاثية الأبعاد متاحة على نطاق واسع للمؤسسات، والمهندسين المعماريين، والمهندسين، والمصممين، والمستخدمين الصناعيين، والسوق الواسع للمستهلكين والمحترفين. 

يُقدّر أن إيرادات Flashforge تتجاوز US$15 million، بينما تمتلك FlashforgeUSA إيرادات تزيد عن US$7 million. 

#2. NinjaTek

من بين حلولها المتعددة، تم استخدام خيط طابعة 3D Cheetah® من NinjaTek لإنشاء عظام مرنة تشبه الحياة لليد الصناعية. تطلب تصميم الأصبع دمج عظم مطبوع ثلاثيًا مرن داخل قالب سيليكون لإنشاء ملمس شبيه بالجلد وزيادة المتانة والقوة للأصابع. وجد فريق الباحثين المسؤول عن تصميم وتطوير اليد خيط Cheetah TPU شبه المرن من NinjaTek مفيدًا جدًا في تصميم القطعة الصناعية.

NinjaTek هي جزء من Fenner Precision Polymers. تنتج خيوطًا متخصصة للمستخدمين النهائيين في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد الصناعي. أصبحت الشركة الآن شركة مجموعة Michelin. 

مجموعة Michelin سجلت أكثر من 28.5 مليار يورو كإيرادات في عام 2022، مقارنةً بإيرادات تقارب 24 مليار يورو في عام 2021. كان دخل الشركة التشغيلي كنسبة مئوية من إيراداتها تقريبًا 12٪ في عام 2022. 

#3. Fictiv

لاعب رئيسي آخر في هذا المجال هو Fictiv، شركة تقدم مجموعة شاملة من خدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد وتظهر التزامًا قويًا بتطوير الروبوتات الناعمة. تُطلب خبراتهم بشدة، حيث تستخدم شركات التقنية الطبية الكبيرة مثل Medtronic خدمات Fictiv المبتكرة.

تعتقد Fictiv أن الروبوتات الناعمة أكثر قابلية للتكيف والمرونة. يمكنها “فهم تصاميم المقابض المختلفة بشكل أفضل وتكييف حركاتها وفقًا لذلك”. كما ترى الروبوتات الناعمة بأنها “مُفعَّلة هوائيًا لالتقاط الأشياء، مما يسمح بإضافة قدرات الشفط بسهولة”. 

في مايو 2022، أعلنت عن إغلاق جولة تمويل من الفئة Series E بقيمة 100 مليون دولار. قادت الجولة Activate Capital، بما في ذلك مستثمرين جدد مثل Angeleno Group وCross Creek وThe Westly Group. تشمل المستثمرين المؤسسين الآخرين في Fictiv Accel، Bill Gates، G2 Venture Partners، وStandard Investments. جلب تمويل Series E إجمالي الاستثمار في Fictiv إلى 192 مليون دولار أمريكي منذ بدء عملياتها في 2013. 

الطباعة ثلاثية الأبعاد أو تقنية التصنيع الإضافي في الروبوتات الناعمة: ما الذي يحمله المستقبل

ستصبح الطباعة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي تقنية رئيسية في الروبوتات الناعمة بفضل جودتها العالية وقدرتها على طباعة مواد متعددة في آن واحد. 

تُصنع الروبوتات الناعمة من سوائل، هلام، بوليمرات وظيفية، وغيرها من المواد القابلة للتشوه بسهولة، مما يساعد الحل الروبوتي على البقاء فعالًا حتى عند تمدده وضغطه. والأهم أن هذه المواد متوافقة مع تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي الحالية، التي ليست فقط أسرع بل أكثر موثوقية. ومع ذلك، لتصبح قابلة للتكيف عالميًا، سيتعين عليها تحسين قابلية التوسع. 

ميزة أخرى للتقنيات الجديدة في التصنيع الإضافي هي دقتها العالية وقدرتها على طباعة أكثر الأشكال تعقيدًا. 

تقنيات التصنيع الإضافي الجديدة مفيدة أيضًا عندما يتعلق الأمر بوضع مصادر الطاقة، التي تُعد جزءًا أساسيًا من معظم الروبوتات الناعمة الحديثة. علاوةً على ذلك، تساعد تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة على وضعها بذكاء داخل هياكل الروبوتات الناعمة. 

من ناحية أخرى، تميل المواد الناعمة القابلة للطباعة ثلاثيًا المتاحة حاليًا إلى التشوه بشكل كبير تحت القوى المستخدمة عادةً أثناء عملية البناء بسبب وزنها الخاص، مما يستلزم إضافة مادة دعم. يسلط هذا التحدي الضوء على مجال يحتاج إلى مزيد من التطوير. كحل، ظهرت هيدروجيلات لزوجية مرنة يمكنها تحمل ضغوط تتراوح بين الكيلوباسكال والميغاباسكال. 

مؤخرًا، مجموعة بحثية نجحت أيضًا في تطوير تقنية شمولية يمكنها طباعة مواد ناعمة للغاية مثل السوائل التي يمكن تثبيتها لاحقًا من خلال البلمرة. 

فريق بحثي آخر، مكوّن من طلاب جامعة دلفت للتكنولوجيا، قدم ميزة مثيرة أخرى. لقد ساهم في تطوير تقنيات طباعة ثلاثية الأبعاد يمكنها صب السيليكون داخل أغطية مطبوعة ثلاثيًا. التقنية منخفضة التكلفة ويمكن أن تساعد الروبوتات الناعمة على تحقيق إنجازات جديدة في المستقبل. 

مع المزيد من الأبحاث والدراسات العلمية حول هذا الموضوع، سيساعد التصنيع الإضافي الروبوتات الناعمة على أن تصبح ذات صلة كبيرة في مجال العلوم الطبية والصحية. لقد ساعد بالفعل في تطوير قفازات روبوتية ناعمة مطبوعة ثلاثيًا مفيدة لأولئك الذين يعانون من ضعف وظيفة اليد، والشلل الموضعي، والتهاب المفاصل. 

كما بنى العلماء أيديًا صناعية وروبوتات ناعمة مطبوعة ثلاثيًا بأربعة أرجل يمكنها المشي على أسطح غير منتظمة وخشنة مثل الحصى والرمل. 

إلى جانب استخدامها في المجال الطبي وإعادة التأهيل الصحي، يمكن لهذه الروبوتات الناعمة المساعدة في عمليات الإنقاذ أو جمع بيانات حساسات من بيئات خطرة. 

ختامًا، فإن الفرص التي تقدمها تقنيات التصنيع الإضافي الجديدة في تعزيز الروبوتات الناعمة هائلة. فقط تحتاج إلى الخروج من المختبر للاستخدام الواسع النطاق من أجل الصالح العام. 

انقر هنا للحصول على أفضل عشرة أسهم في التصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد.