التحكم في الهيدروجيل قد يعزز رشاقة الروبوتات الحديثة وتعدد استخداماتها

تكشف دراسة جديدة نُشرت في المجلة العلمية Physical Review Letters عن «ظاهرة مجهرية» تتيح للهيدروجيل الانكماش بسرعة أكبر. وقد يترك هذا الاكتشاف، الذي تفسره نظرية المرونة المسامية للوسط المتصل، أثرًا كبيرًا في صناعات عديدة، منها الروبوتات اللينة. وربما يساعد على جعل هذه الأجهزة أخف وزنًا وأكثر رشاقة. إليكم التفاصيل.

الهيدروجيل

الهيدروجيل مادة مرنة لا تذوب في الماء، وتتكون من شبكة متماسكة من سلاسل البوليمر. تستطيع هذه السلاسل امتصاص السوائل والاحتفاظ بها بكفاءة، وعندئذ يشكل الماء معظم الهيدروجيل. ويمكن للمادة إطلاق السائل المخزن والانكماش استجابةً لمحفز كيميائي، مثل تغير درجة الحموضة، أو بيئي، مثل تغير الحرارة أو المجال.

يتميز الهيدروجيل بالليونة والمرونة، ويوجد في جل الشعر ومعجون الأسنان ومستحضرات التجميل ومنتجات أخرى غنية بالماء. ويُستخدم أيضًا في ضمادات الجروح وعلاج الحروق. وفي الروبوتات، يمكن أن يحل محل مواد أثقل مثل البلاستيك.

الهيدروجيل يعزز قدرات الروبوتات اللينة

تُصنع الروبوتات اللينة من مواد قابلة للانثناء، مما يتيح لها أداء مهام خاصة. ويمكنها دخول الأماكن الضيقة والتنقل بين الأنقاض المعقدة والمساعدة في إيصال الأدوية. ويرى الباحثون أن الهيدروجيل قد يحل مستقبلًا محل المطاط والمكونات الهيدروليكية فيها.

تتفوق الروبوتات اللينة على نظيراتها الصلبة في بعض التطبيقات. فهي تتكيف لتوزيع الضغط على مساحة أوسع، فتكون لمستها ألطف. وعندما تجتمع هذه الميزة مع القدرة على التكيف مع بيئات مختلفة، تصبح خيارًا مناسبًا لمهام محددة.

الأنظمة الحالية

تهيمن الأنظمة الهيدروليكية والهوائية حاليًا على صناعة الروبوتات. وهي موثوقة وتُستخدم منذ عقود بأشكال مختلفة. لكنها تعاني عيوبًا مهمة، خاصة في الروبوتات المصغرة واللينة.

فالروبوتات اللينة التي تعتمد عليها لتغيير شكلها تحتاج إلى خراطيم وأنابيب ومضخات. ويكاد تصنيع هذه المكونات على المستوى المجهري يكون مستحيلًا. وحتى عند تكبيرها، تضيف كل مضخة وخرطوم وزنًا يقلل مدة تشغيل البطارية وقدرة الروبوت على الحركة. لذلك قد يتيح اكتشاف الهيدروجيل وظائف أكثر تنوعًا مع تخفيف الوزن وفتح مجالات استخدام جديدة.

يعتقد الباحثون أن هذا التطور قد يدفع الروبوتات اللينة إلى الأمام، بزيادة الكفاءة والرشاقة وخفض الوزن. ويمكن للهيدروجيل استبدال المطاط لأنه أخف ولا يحتاج إلى أنظمة هيدروليكية أو هوائية، مما يقلل تعقيد تصنيع الروبوتات.

ظاهرة مجهرية

اكتشف الباحثون الظاهرة أثناء دراسة تمدد الهيدروجيل وانكماشه في ظروف مختلفة. وتقدم «نظرية المرونة المسامية للوسط المتصل» حلًا قائمًا على الهيدروجيل يلبي احتياجات الروبوتات المجهرية: خفة الوزن والموثوقية وقابلية التحكم وسهولة التصنيع مقارنة بالخيارات الحالية.

تفاصيل بحث الهيدروجيل

بدأ الباحثون بصنع غشاء رقيق من الهيدروجيل. وسمحت طبقته المسامية بمرور الماء والأيونات بحرية في ظروف معينة. وكانت أول ملاحظة غير معتادة أن عملية تسمى الرحلان الانتشاري للهلام ترفع ضغطه الأسموزي فجأة، فينتفخ الهيدروجيل فور إدخال الأيونات.

وبعد طرد السائل يعود الهيدروجيل إلى حجمه الأصلي. وقد تمددت العينات المزودة بالأيونات وانكمشت أسرع بمئات المرات من الطرق السابقة. وأظهرت البيانات أن الانتفاخ بالرحلان الانتشاري أكثر كفاءة بكثير.

زيادة الرشاقة

يتحمس الباحثون لأن الاكتشاف قد يجعل الروبوتات اللينة أكثر رشاقة. ومن أهدافهم إنشاء يد روبوتية تتمتع بمهارة اليد البشرية ومرونتها. ويرون أن الاكتشاف قد يكون خطوة مهمة نحو ذلك. وإذا نجح، فقد تتولى الروبوتات مهام أكثر تتطلب ملامسة البشر في السنوات المقبلة.

روبوتات أكبر

من النتائج المهمة أيضًا إمكان استخدام الهيدروجيل لصنع روبوتات لينة أكبر. ويذكر المقال أن معظمها حاليًا محدود بالأحجام المجهرية. وقد تسمح القوة الإضافية والوزن المنخفض بتكبيرها إلى سنتيمتر واحد. ومن المعتاد أن تعمل الروبوتات الصغيرة في أسراب لزيادة الكفاءة.

تطبيقات عملية للروبوتات اللينة المصنوعة من الهيدروجيل

للروبوتات اللينة تطبيقات عملية عديدة. فهي تُستخدم اليوم في قطف الفاكهة والفرز في المستودعات، وقد تؤدي مستقبلًا مهام صحية. وفيما يلي أبرز القطاعات التي تؤثر فيها.

التصنيع

التصنيع هو أبرز مجالات استخدام الروبوتات اللينة. وتوجد أجهزة تشبه الأيدي على السيور الناقلة، تلتقط المواد الحساسة وتضعها في العبوات أو تفرزها حسب الفئة. وقد تستطيع مستقبلًا «الإحساس» بما تلتقطه باستخدام مستشعرات متقدمة وذكاء اصطناعي.

البحث والإنقاذ

قد تساعد الروبوتات اللينة في العثور على ناجين من الكوارث الطبيعية. فكثيرًا ما تعوق الأنقاض الإنقاذ وتؤدي إلى سقوط ضحايا إضافيين. ويمكن لهذه الروبوتات التسلل عبر مناطق الكوارث واستخدام مستشعراتها للعثور على الناجين بسرعة، ثم مساعدتهم على التواصل أو إيصال إمدادات منقذة للحياة.

الاستكشاف

قد تجعل الروبوتات اللينة الاستكشاف أكثر كفاءة. فالروبوتات مهمة لمستقبل استكشاف الفضاء البعيد والبحار، إذ تستطيع الذهاب إلى أعماق أكبر ومسافات أبعد وتوفير بيانات قيمة دون نقل البشر. وقد تبلغ الروبوتات اللينة مواقع لم تُستكشف من قبل، مثل أعماق المحيطات، بفضل تكيفها مع الضغط، فتدعم مجالات علمية جديدة.

الرعاية الصحية

يمكن استخدام الروبوتات اللينة في إيصال الأدوية ومكافحة الأمراض وتنقية المياه وغيرها. ويواصل علم الروبوتات الحيوية ابتكار آلات هجينة تضم أنسجة حية ضمن مكوناتها الأساسية. وقد تحسن يومًا حياة الملايين، مثلًا بأطراف اصطناعية لا يكاد مرتديها يشعر بها وتطبيقات أخرى مفيدة.

الشركات الرائدة في مجال الروبوتات

تتطور صناعة الروبوتات بسرعة. وكانت تهيمن عليها شركات قليلة مثل Boston Dynamics، لكن الخيارات اتسعت اليوم مع دخول مجالات متنوعة. وفيما يلي شركات قد تستفيد من الهيدروجيل لتحسين منتجاتها.

1. Intuitive Surgical

ISRG مخطط السعر

Intuitive Surgical (ISRG ) رائدة في سوق الروبوتات الطبية. وتشمل منتجاتها وخدماتها أنظمة المساعدة الجراحية da Vinci وIon، التي تدعم الجراحة طفيفة التوغل. ويتيح أحدث تطوير لـda Vinci للجراحين الإحساس بالشقوق عبر التغذية الراجعة.

قد تكون الشركة إضافة قوية إلى المحفظة الاستثمارية. وهي أمريكية ومدرجة ضمن مؤشري NASDAQ-100 وS&P 500، وتلقى خدماتها طلبًا مرتفعًا. وتذكر أن أكثر من 8,600 نظام da Vinci نُشر عالميًا، مما عزز مكانتها كقائدة تقنية في الروبوتات.

2. UiPath

PATH مخطط السعر

UiPath (PATH ) شركة برمجيات لأتمتة العمليات الروبوتية (RPA). وتتيح برامجها لروبوتات البرمجيات تعلم المهام المتكررة وتوليها بدلًا من البشر. تأسست في رومانيا وانتقلت إلى نيويورك مع نموها، وأصبحت مزودًا رائدًا لبرمجيات RPA عالميًا.

وصلت UiPath إلى هذه المكانة بفضل الاستمرارية والأداء. وأثبتت خدماتها قدرتها على تبسيط أعمال عملاء كبار مثل Canon وEY وVITAL وTQL. كما تناولتها Forbes مرات عدة، مما يجعل سهمها جديرًا بالمتابعة.

تحديات الروبوتات اللينة

تواجه الروبوتات اللينة تحديات قبل انتشارها الواسع. فهي لا تتمتع بمتانة نظيراتها الصلبة أو أدائها. ويثير التحكم في روبوتات ذات درجات حرية حركية غير محدودة صعوبات أيضًا. وتتطلب نمذجة حركتها ابتكارًا ووقتًا كبيرين. ويشير المقال إلى أن شركات مثل UiPath قد تؤدي دورًا متزايدًا في تطوير أنظمة التحكم مستقبلًا.

الباحثون

أجرى الدراسة فريق بقيادة الفيزيائي C. Nadir Kaplan من Virginia Tech والباحث في الدكتوراه Chinmay Katke. ويذكر المقال أيضًا مساعدة الأستاذ C. Nadir Kaplan وPeter A. Korevaar من جامعة رادبود في هولندا.

الهيدروجيل قد يجعل الروبوتات اللينة أكثر فائدة

ربما توصل الفريق إلى مفتاح يجعل الروبوتات اللينة أكثر فائدة. فقد يحل الهيدروجيل محل المطاط والأنظمة الهيدروليكية والمشغلات وغيرها من الخيارات الأثقل والأكثر تعقيدًا. لذلك يُعد البحث تقدمًا مهمًا يستحق المتابعة.

تعرف على مشاريع روبوتية أخرى رائعة الآن.