المحاكاة الحيوية
كيف يمكن للروبوتات أن تستلهم من الطبيعة
من كونها مصدرًا للمتعة لكُتاب الخيال العلمي إلى أن أصبحت أداةً للتنمية للمجتمع البشري، قطعت الروبوتات والروبوتات مسافةً طويلة.
من المتوقع أن ينمو سوق الروبوتات العالمي بين عامي 2016 و2028 من ما يقرب من US$23 مليار إلى أكثر من US$45 مليار. في بدايته، كان يُنظر إلى الروبوتات على أنها شيء سيظل محصورًا في المجالات الصناعية.
على العكس، يشكل الروبوتات الخدمية الآن أكثر من نصف سوق الروبوتات. تستخدم الروبوتات هذه الأيام على نطاق واسع في صناعة السيارات، الصناعة الكيميائية، صناعة الكهرباء/الإلكترونيات، صناعة الأغذية، الصناعة الطبية، وغيرها. وبشكل أكثر ابتكارًا، يضمن مقدمو الروبوتات استخدامها في المجالات التقليدية مثل الزراعة، الأعمال المنزلية، والترفيه.
بينما من الصحيح أن دور الروبوتات كان تحولياً في العديد من المجالات التقليدية، هل يمكنها أن تتعلم شيئًا أو اثنين من العالم من حولنا؟ اليوم، سنلقي نظرةً دقيقةً على السيناريوهات التي يمكن للروبوتات فيها أن تستلهم من الطبيعة.
كيف يمكن للروبوتات المستوحاة من الطبيعة أن تستفيد من خنافس الدوامة
المعروفة بأنها أسرع حشرة سباحة في العالم، تستطيع خنافس الدوامة تحقيق تسارع قدره 100 متر في الثانية وأعلى سرعة تصل إلى 100 طول جسم في الثانية، أي ما يعادل مترًا واحدًا في الثانية، لتكون دقيقة. لكن كيف تحقق هذه السرعة والتسارع؟
تمت دراسة استراتيجيتهم الطائرية دُرست من قبل الباحثين ونُشرت في مجلة Current Biology. حملت الدراسة العنوان: ‘خنفساء الدوامة تستخدم الدفع القائم على الرفع لأسرع سباحة للحشرات.’
استخدم البحث كاميرتين عاليتي السرعة متزامنتين بزاويتين مختلفتين. النتيجة كانت فيديو يوضح آلية الطيران: الدفع القائم على الرفع. عملت بطريقة مشابهة للمروحة، حيث يتحرك الدفع عموديًا على سطح الماء. تساعد الآلية على تقليل السحب وتوفير زخم أكبر لسرعة أعلى.
لماذا هذا الاكتشاف مهم؟ بينما من الصحيح أن الدفع القائم على الرفع تم التعرف عليه بالفعل في الكائنات الكبيرة الحجم، تُظهر هذه الدراسة أن الظاهرة تنطبق على مقياس طول يصل إلى 1 سنتيمتر.
وفقًا لكريس روه، أستاذ مساعد في الهندسة البيولوجية والبيئية في كلية الزراعة وعلوم الحياة، يتحدث هذا الاكتشاف إلى مجتمع الروبوتات المستوحاة من الطبيعة وغيرها من مجتمعات الهندسة لتحديد الفيزياء الصحيحة أولاً ثم محاولة الحفاظ على تلك الفيزياء عند إنشاء الروبوتات.
وبشكل أكثر تحديدًا، يعتقد روه أن هذه الظاهرة يمكن أن تُستَخدم في تطوير سفن روبوتية غير مأهولة، يمكن أن تكون أصغر حجمًا وأكثر مرونة من خلال الاستفادة من آليات الدفع التي تولد الرفع في خنافس الدوامة. الولايات المتحدة في طور تطوير مثل هذه القوارب التي ستكون خالية من قيود توفير الضيافة للطاقم.
يدفعنا هذا البحث إلى رؤية الروبوتات بنظرة جديدة. دائمًا ما يكون من الممكن الاستلهام من الطبيعة وإعادة هندستها إلى تصاميم ميكانيكية بشرية. لقد وجدنا بعض الأمثلة الأخرى على هذا التآزر بين الطبيعة/البشر والآلة.
روبوت مستوحى من الأخطبوط تم الإشادة به كمستقبل الروبوتات الناعمة
تم إنشاء الروبوت المستوحى من الأخطبوط في عام 2016 على يد سيسيليا لاشي، أستاذة في معهد البيوروبوتكس بسانت’آنا، بيزا، إيطاليا، وكان مرنًا للغاية ويمكنه التفاعل مع بيئته بحساسية ودقة أكبر من معظم الروبوتات الناعمة التي تم تطويرها حتى ذلك الحين. وفقًا لكلام لاشي:
“هذا المجال البحثي الجديد نسبيًا لديه القدرة على قلب أفكارنا حول ما يمكن للروبوتات تحقيقه وأين يمكن أن تكون مفيدة.”
الروبوت الذي احتاج إلى طاقة حوسبة أقل بكثير وكان أكثر قدرة على التحرك على التضاريس الوعرة يمكنه سحب السائل ثم طرده من جسده. كان بإمكانه الجري عبر قاع البحر الخشن باستخدام جميع أقدامه الثمانية.
بُني الروبوت باستخدام بوليمرات إلكترونية نشطة تتشوه عند تعرضها للكهرباء. نجح الروبوت في اختباره في البحر المتوسط في أوائل عام 2016. ساهم تطويره في تقدم مجال الروبوتات الناعمة منذ ذلك الحين.
في إحدى الحالات، في عام 2017، قامت جامعة هارفارد بابتكار Octobot، وهو روبوت ناعم تم استبدال جميع مكوناته الميكانيكية بأنظمة ناعمة مماثلة. تم طباعته ثلاثيًا وكان يحتوي على قنوات مدمجة تسهل التحكم في الطاقة والحركة، ويعمل عبر ضغط هوائي مدفوع بالغاز.
بعيدًا عن التطورات المستوحاة من الأخطبوط، قامت الروبوتات المستوحاة من الطبيعة بتقليد حيوانات أخرى أيضًا. على سبيل المثال، طور مهندسو المدرسة الفدرالية التقنية في لوزان روبوتًا يحاكي حركة السمندل.
استلهم فريق آخر من الباحثين من الأفاعي. نظرًا لقدرتها على التنقل عبر تضاريس معقدة ومتشابكة، يمكن أن تكون هذه الروبوتات مفيدة في استكشاف الفضاء.
بليوروبوت وسنيكبوت: الروبوتات التي جعلت الحركات المعقدة ممكنة
يستمد Pleurobot إلهامه من حركة السمندل. لديه هيكل فقري فريد يساعد الروبوت على الزحف داخل الماء وخارجه. يحتوي على 11 مقطعًا فقريًا. من الناحية البصرية، كان هدف تطوير الروبوت هو إعادة تنشيط طريقة عمل الحبل الشوكي البشري وكذلك طريقة تفاعل الدماغ معه.
كان تقليد حركة السمندل عبر روبوت خطوةً حاسمةً لأن السمندلات يمكنها التحول من الزحف إلى المشي إلى السباحة بأداء نفس الحركة، مع تغيير السرعة فقط. يمكن أن تكون مثل هذه الابتكارات تحولية وثورية عندما تُطبق في الآلات والروبوتات.
من ناحية أخرى، كان Snakebot فكرة مجموعة من الباحثين في جامعة كارنيجي ميلون. هدفهم تطوير روبوت يحاكي حركة الأفعى في الزحف عبر تضاريس صعبة، عبر الأنقاض، وحول العقبات. يبلغ طول الروبوت 37 بوصة وقطره 2 بوصة ويحتوي على 16 مفصلًا. وفقًا لآخر التقارير، نشرت وكالة ناسا هذه الروبوتات في مشاريع استكشاف الفضاء.
مع هذه التطورات والعديد غيرها، أصبحت الروبوتات التي تستلهم من الطبيعة، المعروفة أيضًا بالروبوتات المستوحاة من الطبيعة، ذات حجم كبير. تمتلك معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أحد أكثر المؤسسات إعجابًا وتقديرًا في العالم لتعليم الهندسة، دورةً في الروبوتات المستوحاة من الطبيعة ضمن قسم الهندسة الميكانيكية.
تهدف الدورة إلى تشجيع “نهج متعدد التخصصات في التصميم المستوحى من الطبيعة، مع التركيز على استخراج المبادئ القابلة للتطبيق في مختلف مجالات أبحاث الروبوتات، مثل الروبوتات، الأطراف الصناعية، وتقنيات المساعدة البشرية.”
ليس فقط المؤسسات الكبرى مهتمة بذلك، بل تشارك أيضًا شركات التكنولوجيا الكبرى بحماس كبير في الروبوتات المستوحاة من الطبيعة. على سبيل المثال، طورت شركة Boston Dynamics، التي استحوذت عليها شركة Hyundai في عام 2021 بقيمة 1.1 مليار دولار أمريكي، روبوتًا ينسخ حركة كلب لأداء العديد من المهام الصعبة. سُمي هذا الجهاز رباعي الأرجل بـ Spot.
1. Spot من Boston Dynamics: روبوت رباعي الأرجل ينسخ حركة كلب
تم تطوير Spot، من Boston Dynamics، على شكل كلب أصفر بلا رأس، يمكنه الصعود على المنحدرات والتنقل على السلالم. كان سعر الجهاز US$74,500. خدم العديد من الأغراض، من فحص المصانع، مواقع البناء، والبيئات الخطرة، حيث يمكنه صعود السلالم وحتى التنقل فيها.
الآن يمكن لـ Spot العمل على مدار 24 ساعة طوال الأسبوع دون تدخلات. يمكنه شحن نفسه تلقائيًا وإعادة التخطيط حول العقبات الجديدة بشكل ديناميكي. وفقًا للأرقام الرسمية، وصل عدد عملاء روبوتات Spot إلى أكثر من 1,000 عميل حتى الآن.
يخدم Spot مجموعة من الصناعات، بما في ذلك التصنيع، الطاقة والموارد الطبيعية، البناء، الأوساط الأكاديمية والتعليمية، والحكومات.
بعد أن أغلقت Hyundai صفقته للاستحواذ على Boston Dynamics، امتلكت حصة 80 بالمئة في الشركة. تحتفظ SoftBank، من خلال إحدى الشركات التابعة لها، بالتحكم في الـ 20 بالمئة المتبقية.
نشرت Hyundai بياناتها المالية الموحدة لعام 2022 في 21 مارس 2023. حققت الشركة 6,126,969 مليون وون كوري في عام 2022، بزيادة ملحوظة عن 3,782,498 مليون وون كوري التي حققتها في عام 2021. كانت توزيعات الأرباح المدفوعة في 2022 تبلغ 7,207 مليون.
2. استحواذ ABB على SevenSense: اختراق في تطوير الروبوتات المستوحاة من الطبيعة
ABB, أحد عمالقة الروبوتات العالميين, اشترى مؤخرًا SevenSense, شركة ناشئة سويسرية تتخصص في تعزيز حركة الروبوتات الصناعية. بشكل أكثر تحديدًا، تطور SevenSense أنظمة روبوتية مدعومة بأجهزة استشعار وذكاء اصطناعي تمتلك وظائف العين والدماغ للتنقل حول المصانع وتغطية كامل مساحة المصنع.
لن تظل الحلول محصورة في خطوط الإنتاج المزودة التي عادةً ما تعتمد على شرائط مغناطيسية ثابتة. يمكن لهذه الروبوتات نقل 2 طن من المواد بسرعة 1.5 متر في الثانية. تأتي مزودة بست كاميرات. وفقًا لسامي عطية، رئيس الروبوتات والأتمتة المتقطعة في ABB:
“في النظام القديم، عندما كنت بحاجة لتغيير خط إنتاج بطول 100 متر، وإضافة خلية إنتاج جديدة، على سبيل المثال، كان من المستحيل تحويل الروبوت. الآن يمكننا القيام بذلك بسهولة.”
وفقًا لأحدث تقرير مالي متاح، حققت ABB إيرادات سنوية قدرها متاح، 29.4 مليار دولار أمريكي في عام 2022، مقارنةً بـ 28.9 مليار دولار أمريكي في عام 2021.
3. Motobot المستوحى من راكب الإنسان من Yamaha
ليس فقط الحيوانات البحرية وأصدقاؤنا رباعي الأرجل، بل تستلهم الروبوتات أيضًا من البشر. مشروع Yamaha الفريد، Motobot، يهدف إلى إنشاء روبوت بشري مثالي لتشغيل مركبة غير معدلة للاستخدام المستقل. يمكن لـ Motobot تشغيل المركبة autonomously من خلال أخذ بيانات من سرعة المركبة، عدد دورات المحرك، وضعية الآلة، ومعلمات مشابهة.
Yamaha تخطط لتعزيز Motobot مستقبلاً باستخدام نظام تحديد المواقع عالي الدقة، وأجهزة استشعار، وغيرها، لتزويده بقدرات التعرف على موقع الآلة وجعل قراراته أكثر حكمة بشأن أفضل المسارات التي يتبعها على حلبة السباق وحدود أداء الدراجة النارية.
لتطوير Motobot، تعاونت Yamaha مع SRI International، معهد أبحاث عالمي رائد. الرؤية هي استلهام المعرفة من التقنيات الأساسية النشطة في تطوير MOTOBOT، مثل التحكم في الروبوت وإنشاء واجهة الإنسان-الآلة.
(TYO: )
وفقًا لأحدث تقرير سنوي متاح للعام المالي 2022، حققت Yamaha إيرادات تزيد عن 408 مليار ين ياباني في ذلك العام مع ربح تشغيلي أساسي قدره 43 مليار ين ياباني.
قائمة لا نهائية من التطورات
في نطاقنا المحدود، يمكننا مناقشة عدة حالات تغير قواعد اللعبة حيث استلهمت الروبوتات إلهامًا كبيرًا من الطبيعة. ومع ذلك، يُظهر استعراض الأبحاث المتاحة أن ذلك كان مجرد قمة جبل الجليد. لقد استلهمت الروبوتات، كمسار للدراسة والبحث والتطوير والتطبيق، بشكل كبير من الطبيعة وستستمر في ذلك.
على سبيل المثال، تستلهم الطائرات بدون طيار الروبوتية بشكل كبير من الطيور. ليس فقط من حيث آلية الطيران، بل تلهم الطيور الطائرات بدون طيار للطيران بفعالية في الطقس السيئ وبين الرياح العاتية.
قادت الطيور الغاطسة إلى إنشاء Aquatic Micro Air Vehicle (AquaMAV) في مختبر الروبوتات الجوية في كلية إمبريال كوليدج لندن. يمكن لهذه الـ AquaMAV الغوص في الماء بسرعات عالية، ثم الصعود مرة أخرى، وطرد الماء عبر نفث. تُستخدم هذه الحلول في مجموعة من الحالات، بما في ذلك جمع عينات المياه لإجراء عمليات إنقاذ أو استكشاف تحت الماء.
ألهمت الفراشات الميكروبوتات لتطوير نوع خاص من هياكل الأجنحة يمكن أن يساعدها على الطيران لمسافات أطول وتجنب الحوادث.
Boston Dynamics، إحدى الشركات التي ناقشناها بالفعل، لديها روبوت آخر يُدعى إنسان ثنائي الساقين ذكي.
Jessiko هو روبوت تحت الماء يستخدم الزعانف للتنقل عبر الماء. DelFly Micro هو روبوت جناحي يرفرف بوزن 3.07 غرام، كما يشير اسمه، مستوحى من الذبابة. شهد العالم أيضًا ظهور روبوتات ناعمة رباعية الأرجل مطبوعة ثلاثيًا مستوحاة من السلاحف.
تمتلك الطبيعة ملايين الحيوانات والحشرات. تجعل القدرات التطورية لهذه الكائنات تقوم بأشياء مذهلة. البشر ليسوا استثناءً. سيساعد تعلم كيفية عمل هذه الأجسام على فتح العديد من الفرص للروبوتات.
يمكن إنجاز العديد من المهام التي تتطلب سفر البشر إلى أماكن خطرة عبر هذه الروبوتات. لا يمكن لهذه الروبوتات فقط إنجاز هذه المهام، بل يمكنها القيام بها بسرعة وكفاءة أكبر مع دقة وأناقة عالية. يمكنها المساعدة في تنفيذ العديد من المهام المتكررة لتوفير المزيد من الوقت للدماغ البشري للقيام بما يجيده: التفكير وإبداع أشياء جديدة لدفع الحضارة إلى الأمام.
