روبوتات مطبوعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة تعمل بدون إلكترونيات

في عالم تصنيع الروبوتات، لا يزال حلم تصنيع آلات جاهزة للعمل مباشرةً من الخط بعيدًا بسنوات عديدة، أو على الأقل كان كذلك. فاجأ فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا السوق مؤخرًا بعد نشر تفاصيل طريقة تصنيع جديدة وتصميم روبوت لا يحتاج إلى كهرباء وجاهز للعمل مباشرةً من الطابعة. إليك ما تحتاج إلى معرفته حول الروبوتات المطبوعة ثلاثية الأبعاد.

كيف تُصنع الروبوتات؟ استكشاف تقنيات تصنيع الروبوت الحديثة

هناك العديد من أنواع الروبوتات وطرق أكثر لإنشاء هذه الأجهزة. يمكن بناء الروبوتات التقليدية على خطوط التجميع وقد تتطلب العديد من الخطوات للتجميع والتشغيل. على سبيل المثال، قد ينتج مصنع واحد الهيكل، بينما ينتج آخرون المكونات الإلكترونية، والبطاريات، ووحدات التحكم، ومكونات أساسية أخرى.

ما هي الروبوتات الناعمة؟ الفوائد والاستخدامات الواقعية

الروبوتات الناعمة هي نوع آخر من الآلات التي تتخلص من الهيكل الخارجي الصلب الموجود في الروبوتات التقليدية. بدلاً من ذلك، تستخدم الروبوتات الناعمة مواد بديلة مثل السيليكون وتصاميم تسمح لها بتغيير شكلها. الفوائد الرئيسية للروبوتات الناعمة هي دعمها للتلاعب، وقدرتها على عبور بيئات معقدة، وتوفير تفاعل آمن مع البشر.

التطورات في طباعة الروبوتات الناعمة ثلاثية الأبعاد باستخدام الدوائر السائلة

أدى الطلب على الروبوتات الناعمة إلى عدة تحسينات في عمليات التصنيع. مكّنت الاختراقات الأخيرة في الطباعة ثلاثية الأبعاد المهندسين من تصميم روبوتات ناعمة أكثر قدرة في عملية واحدة. تقلل طرق تصنيع الروبوتات الناعمة المتقدمة اليوم من تعقيد الروبوتات الناعمة.

لإنجاز هذه المهمة، تُستخدم دوائر هوائية تستفيد من استجابات المواد غير الخطية. يتيح استخدام دوائر التحكم السائلة للمهندسين تصنيع المزيد من الأجهزة في موقع واحد. ومن الجدير بالذكر أن مهندسي هذا المشروع كانوا أيضًا محوريين في أعمال أخرى، بما في ذلك إنشاء مقبض روبوتي ومزحف مطبوع ثلاثيًا مع دوائر تحكم مدمجة.

التحديات في طباعة وتجميع الروبوتات الناعمة

لا تزال هناك العديد من المشكلات التي تواجه قطاع تصنيع الروبوتات الناعمة. أولاً، تسمح أنظمة القالب المصبوب بإنشاء أجزاء، لكن التحكم في الوحدات لا يزال يتطلب مكونات إضافية. كما أنها مكلفة، وتتطلب جهدًا يدويًا كبيرًا، ولا تتوفر بسهولة لمعظم الناس.

في العديد من الحالات، يجب ربط نظام معقد من المضخات والصمامات والإلكترونيات الأخرى بالجسم على لوحة منفصلة عبر أسلاك لتحقيق أي شكل من أشكال الحركة المتحكم فيها. إن الحاجة إلى توصيل الروبوت يحد من مزاياه ويقيد قدراته الناعمة، مثل القدرة على التنقل في الأماكن الضيقة أو البيئات المعقدة.

دراسة جديدة تكشف عن روبوت مشي مطبوع بالكامل ثلاثي الأبعاد وخالٍ من الإلكترونيات

الدراسة “Monolithic Desktop Digital Fabrication of Autonomous Walking Robots,”¹ المنشورة في مجلة Advanced Intelligent Systems، تسلط الضوء على كيفية تطوير المهندسين روبوتًا بستة أرجل مطبوعًا بالكامل، خالٍ من الإلكترونيات، يمكنه المشي فورًا بعد الطباعة. وما هو أكثر إثارة للإعجاب هو أن الجهاز يعمل بالكامل بواسطة مصدر ضغط هوائي ثابت.

الدراسة ثورية لأسباب متعددة. أولاً، تشرح بالتفصيل كيف تمكن المهندسون من التغلب على تحديات طباعة صمام مغلق ثلاثيًا. في التقرير، نجح الفريق في تحقيق حركة الروبوت خارج الطابعة باستخدام تذبذب متماثل عبر صمامات تأخير الطور المدفوعة بالهواء.

كيف تمكّن طابعات 3D المكتبية الروبوتات الناعمة ذات الوظيفة الكاملة

من الجدير بالذكر أن المهندسين استخدموا طابعة مكتبية ثلاثية الأبعاد تجارية متوفرة جاهزة لإنشاء مكونات ناعمة ذات هندسة معقدة تتطلب أقل قدر من العمل البشري. بحث المهندسون عدة مواد. بل وصلوا إلى شراكة مع شركة BASF عبر تحالف أبحاث كاليفورنيا (CARA) لاختبار أي المواد تعمل بشكل أفضل لإنشاء الإطار، والعضلات الاصطناعية، ونظام التحكم في روبوت الفريق ذو الستة أرجل.

مصدر جامعة كاليفورنيا سان دييغو

روبوت مشي مطبوع ثلاثي الأبعاد يعمل مباشرةً من الطابعة

الروبوت المشي الذي طبعته الفريق قادر على المشي بنفسه دون أي مكونات إلكترونية. بدلاً من ذلك، يعتمد على الهواء المضغوط وشبكة من الصمامات التي تفتح وتغلق بناءً على تغيرات الضغط لتحريك أرجلته الست. ومن الجدير بالذكر أن إبداع الفريق يمكنه عبور التضاريس الوعرة دون ربط، باستخدام خرطوشة غاز مضغوط كمصدر للطاقة فقط.

أرجل الروبوت

أحد الجوانب الفريدة في الروبوت الجاهز هو تصميم أرجله. تم طباعة الأرجل الست باستخدام خيوط طباعة ثلاثية الأبعاد تجارية متوفرة. كل رجل يدمج مشغلات هوائية ناعمة وقابلة للطباعة ومتناقضة. يوفر هذا الإعداد لكل رجل أربعة درجات من الحركة. يمكن لكل رجل التحرك للأعلى، للأسفل، للأمام، وللخلف.

لإنشاء حركة مشي، يجب ربط الأرجل بنوع من الهواء أو السائل المضغوط. تحت ضغط ثابت، ينحني مجموعة من الأرجل إلى الأسفل، مما يرفع الجسم أعلى ويساعد الروبوت على تجاوز التضاريس الوعرة. في الوقت نفسه، ترتفع مجموعة أخرى من الأرجل قليلاً. من هناك، تنحني المجموعة الأخيرة من الأرجل إلى الأسفل وإلى الخلف لتوليد حركة دفع للأمام. وهذا يجعل الأرجل الأمامية تنحني إلى الأسفل، مكملةً دورة الخطوة.

المشغلات الناعمة

من الجدير بالذكر أن الجهاز يستطيع إنجاز هذه المهمة بفضل دمج دوائر سائلة مدمجة في جسم الروبوت. كان طباعة هذه الأجهزة أصعب مما قد تتخيل. اضطر المهندسون إلى بذل جهد كبير لتحديد أفضل طريقة لطباعة هذه المكونات المحكمة مثل المشغلات، الصمامات، وأجهزة الاستشعار.

دائرة التذبذب الهوائي

في صميم تصميم هذا الروبوت الناعم من الجيل التالي توجد دائرة مذبذب سائلية قابلة للطباعة. تولد هذه الدائرة أربع إشارات ضغط دورية، وهي ضرورية. ومن المثير للإعجاب أن المهندسين صمموا هذه الدائرة لإنجاز المهمة باستخدام مدخل ضغط واحد فقط.

حددوا أن صمام التذبذب رباعي المراحل القابل للطباعة ثلاثيًا هو الحل الأمثل. يدمج صمام التذبذب المخصص الخاص بهم ست حالات في دورة تشغيل واحدة. لإنجاز هذه المهمة، يستخدم الحركات الميكانيكية للأغشية الداخلية وقنوات الصمام لتعديل العتبات، محدثًا تغييرات حالة نتيجة لتغيرات الضغط التدريجية.

كل صمام يوجه تدفق الهواء إلى المرحلة التالية من العملية عندما يتم الوصول إلى حدود الضغط. ومن المثير للاهتمام، عندما سُئلوا عن كيفية توصل الفريق إلى هذا المفهوم، أجابوا أن التصميم استُلهم من محركات البخار للقطارات المبكرة.

ما مدى متانة الروبوت المطبوع ثلاثيًا الأبعاد؟ نتائج الاختبار المكشوفة

بدأت مرحلة اختبار المختبر للروبوت الناعم بعملية مراقبة في الهواء الطلق. في هذه الخطوة، تم رفع الروبوت وتطبيق ضغط هوائي. ثم سجل الفريق الإجراءات الدقيقة التي قام بها الروبوت وكيف يمكن أن تؤثر على الحركة إذا كان الروبوت على الأرض. بعد تسجيل حركات الأرجل في الهواء، تمكن الفريق من تعديل التصميم لإنشاء نمط مشي مميز.

كان الاختبار التالي هو رؤية كيفية عمل الروبوت باستخدام ضغط الهواء فقط. اختبر الفريق تشغيل الروبوت الخالي من الإلكترونيات باستخدام خرطوشة CO2 بوزن 16 جرام مع منظم ميكانيكي مضبوط على 20 psi. لاحظوا أنهم تمكنوا من الحصول على حوالي 80 ثانية من التشغيل من هذا الإعداد.

اختبار العمر الافتراضي

بعد ذلك، تم اختبار المتانة عبر دورات حياة. ركز الفريق على اختبار صمام واحد للحصول على أكبر قدر من التفاصيل. كجزء من الاختبار، تم تطبيق ضغط ثابت وتسجيل تأثيراته. لاحظوا أن صمام التذبذب عمل لمدة 19,809 دورة قبل أن يفشل تمامًا.

نتائج اختبار الروبوتات المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد

كشف اختبار المختبر عن بعض النتائج المثيرة للإعجاب. أولاً، كان الروبوت الذي أنشأه الفريق قادرًا على عبور مجموعة واسعة من التضاريس. نجح الروبوت في عبور العشب، والرمل، ومختلف التضاريس الصعبة الأخرى، بما في ذلك تحت الماء.

من المثير للاهتمام، مشى الروبوت 85 سم في 21 ثانية بسرعة 4 سم في الثانية خلال تجاربه على سطح أملس. أظهر الاختبار أن حركة رفع الأرجل في التسلسل الأول من خطوته ساعدت الروبوت على الحصول على رفع كافٍ للتنقل عبر البيئات الوعرة.

أظهر اختبار المتانة أن الأجهزة يمكنها العمل بلا توقف لمدة ثلاثة أيام متتالية. بالإضافة إلى ذلك، اكتشف الفريق أن النقطة الضعيفة الرئيسية في التصميم هي الأغشية الأربع في صمام التذبذب. لم يكن هذا الاكتشاف مفاجئًا كبيرًا حيث أن هذه المكونات تتحمل أعلى ضغط هوائي، وقوة متكررة، وانحناءات داخل النظام.

فوائد طباعة الروبوتات الناعمة ثلاثيًا الأبعاد بدون إلكترونيات

توفر دراسة الروبوتات المطبوعة ثلاثيًا عدة فوائد. أولاً، يمكن طباعة هذه الأجهزة باستخدام حل طباعة ثلاثية الأبعاد مكتبي عادي. يعني هذا النهج أن هذه الوحدات متاحة بسهولة للشخص العادي أو للأعمال. هي جاهزة مباشرةً من الطابعة ولا تتطلب أي تفاعل بشري أو تنظيف بعد الطباعة لتكون تشغيلية.

لماذا الروبوتات المطبوعة ثلاثيًا بدون إلكترونيات تُغيّر قواعد اللعبة

بالتأكيد أحد أكثر الجوانب إثارة في المشروع هو القرار بإلغاء الحاجة إلى الإلكترونيات. قدرة هذه “الأحذية” على العمل بدون إلكترونيات تعني أنها الحل الواضح للبيئات التي لا تتوافق مع الإلكترونيات.

الدراسات العلمية في الفضاء، أو حول مواقع ذات إشعاع عالي أو مغناطيسية، هي مثال رئيسي على الأماكن التي قد تكون هذه الأجهزة مفيدة فيها. بالإضافة إلى ذلك، كانت البيئات تحت الماء دائمًا مشكلة للإلكترونيات التقليدية بسبب قيود الضغط العالي.

روبوتات منخفضة التكلفة: كيف تجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد الروبوتات أرخص

يفتح هذا الدراسة الباب لطباعة روبوتات منخفضة التكلفة للغاية. الجهاز الذي أنشأه مهندسو الفريق كلف حوالي 20 دولارًا. بينما قد يكون قادرًا فقط على المشي، يمكن للتصاميم المستقبلية مساعدتك في إنجاز المهام الأساسية دون رفع فاتورة الكهرباء أو تكاليف التصنيع.

الروبوتات المطبوعة ثلاثيًا: الاستخدامات الواقعية ومتى نتوقعها

هناك عدة تطبيقات للروبوتات الخالية من الإلكترونيات. يمكن إرسال هذه الأجهزة لإجراء مراقبة هامة في مناطق معادية أو خطرة. ميزة هذا النهج هي أنه يمكن إسقاط طابعة في الموقع وإنشاء الروبوتات في الموقع. ستسمح هذه الاستراتيجية بنقل أسهل.

قد تؤدي البيانات الواردة في دراسة الروبوتات الناعمة إلى نشر سريع لوحدات منخفضة التكلفة ومقاومة في بيئات تفشل فيها الإلكترونيات التقليدية، مثل المناطق ذات الإشعاع القوي، أو مناطق الكوارث، أو حتى كواكب أخرى. نظرًا لبساطة التصميم وتكلفته المعقولة، قد تظهر تطبيقات عملية خلال السنوات 3 إلى 5 القادمة.

قابل فريق العمل وراء الروبوت المطبع ثلاثيًا بدون إلكترونيات

استضافت جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، دراسة الروبوت المطبع ثلاثيًا. تشمل المؤلفين الرئيسيين ييتشن زهاي، جياياو يان، ومايكل ت. تولي. كما تسرد الورقة ألبرت دي بوير، مارتن فابر، روهيني غوبتا، وتحالف أبحاث BASF في كاليفورنيا كمسهمين في العمل. بالإضافة إلى ذلك، تم تمويل الدراسة جزئيًا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم.

من الجدير بالذكر أن هذا الفريق كان محوريًا في تطوير تكنولوجيا الروبوتات الناعمة. قدمت المجموعة مقبضًا روبوتيًا خاليًا من الإلكترونيات في عام 2022. ساعدتهم هذه التجربة على إنشاء الجيل التالي من الأجهزة الخالية من الإلكترونيات. الآن، هدفهم هو إيجاد طرق لنقل تخزين الغاز المضغوط داخليًا والبحث عن مواد أكثر قابلية للتحلل الحيوي.

أهم الشركات التي تدفع تقدم الطباعة ثلاثية الأبعاد والروبوتات الناعمة

يتزايد استخدام الروبوتات في المنازل والأعمال. وبالتالي، هناك طلب قوي للهيمنة على هذا السوق. من الجدير بالذكر أن أسواق الروبوتات والطباعة ثلاثية الأبعاد تضم العديد من اللاعبين الرئيسيين. لقد استثمرت هذه الشركات مليارات في البحث والتطوير لإنشاء أجهزة جيل جديد تعمل.  إليك شركة واحدة تستمر في الابتكار والتسليم.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD ) دخلت السوق في عام 1986 ومقرها في كاليفورنيا. كان هدفها الأولي تقديم خدمات طباعة ثلاثية الأبعاد من الجيل التالي للعملاء التجاريين. كروّاد في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد، كانت الشركة محورية في نمذجة مكونات حاسمة لصناعات الطيران، السيارات، الرعاية الصحية، الترفيه، والصناعات.

اليوم، تقف 3D Systems في طليعة تقدم تقنيات التصنيع الإضافي، بما في ذلك التطبيقات في الروبوتات. لدى الشركة أكثر من 1,925 موظفًا وأبلغت عن إيرادات قدرها 488 مليون دولار في عام 2023. بالإضافة إلى ذلك، أبرمت الشركة شراكة استراتيجية مع Daimler Buses لتوفير طابعات ثلاثية الأبعاد محلية يمكنها إنشاء قطع غيار.

آخر الأخبار عن شركة 3D Systems

الروبوتات المطبوعة ثلاثيًا

تمثل هذه التطورات خطوة أخرى إلى الأمام في تطور الروبوتات الناعمة. من خلال إلغاء الحاجة إلى الإلكترونيات وتمكين الوظيفة الكاملة مباشرةً من طابعة ثلاثية الأبعاد مكتبية، تمهد هذه الأبحاث الطريق لآلات ميسورة التكلفة، مقاومة، وقابلة للنشر في بيئات تتعثر فيها الروبوتات التقليدية. مع استمرار التطور، فإن التطبيقات المحتملة—من الإغاثة في الكوارث إلى استكشاف الفضاء—واسعة وملهمة. تحية قوية لهؤلاء المهندسين على عملهم الجاد والجهود التي قد تغير مسار صناعة الروبوتات في المستقبل.

تعرف على اختراقات طباعة ثلاثية الأبعاد الرائعة الأخرى الآن.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R., & Tolley, M. T. (2025). Monolithic desktop digital fabrication of autonomous walking robots. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}