المحركات القائمة على العضلات قد تعظم إمكانات الحلول الروبوتية

مجموعة من المهندسين المبتكرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أنشأت للتو محركات قائمة على العضلات يمكن أن تُحدث ثورة في مجال الروبوتات. دمجت العقول المبدعة محركًا أحادي الاتجاه مصممًا خصيصًا مع خلايا عضلية مُزرعة في المختبر. مكنت هذه البنية الجهاز من أن يكون خفيف الوزن ويعزز الأداء. إليكم كيف يمكن لهذا المحرك الجديد القائم على العضلات أن يساعد في تشغيل الروبوتات في المستقبل.

المطويات الحيوية للمحركات القائمة على العضلات

ورقة مُنشورة في مجلة Advanced Intelligent Systems توضح كيف يمكن لنوع جديد من المطوية الحيوية أن يوفر نتائج قابلة للتكرار وموثوقة تكون أكثر كفاءة بمرات عديدة مقارنةً بالمحاولة السابقة. لتحقيق هذه المهمة، اضطر الفريق إلى إعادة اختراع مفهوم المطوية.

المطويات

المطويات هي عناصر ميكانيكية مرنة يمكن أن تعمل كمحركات. المحرك هو جهاز يمكنه تحويل شكل من أشكال الطاقة إلى استجابة قابلة للتحكم. تُوجد في معظم الروبوتات بشكل ما، وتحسين هذه الأجهزة له تأثير فوري. بعض المحركات تحول الحرارة أو الضغط أو الكهرباء أو الطاقة المغناطيسية.
المطويات هي أجهزة شبيهة بالزنبرك تستغل بنية صلبة لتعمل كمحركات. تحظى بشعبية في الروبوتات لأنها يمكن تعديلها لتوفير حركات دقيقة على مستوى الميكرو. هذه المحركات صغيرة وخفيفة الوزن مما يجعلها مثالية لهذه المهام.

المطويات الحيوية المختلطة

استخدم مهندسو MIT مزيجًا من المواد الجديدة والتصميم لتمكين أداء أفضل من إبداعاتهم. على سبيل المثال، أنشأوا تصميمًا لمطوية أرق يعمل كهيكل عظمي. تتميز المطوية بدبوس متصل بالطبقة الأساسية في كل زاوية. هناك أيضًا دبابيس أرضية، وكام، ومتحركة، وتركيب.
تم تصميم عدة مستطيلات داخل بعضها البعض لإنشاء توتر عضلي دقيق عند الحاجة. ثم ربط المهندسون أشرطة عضلية خصيصًا لتوفير انقباضات دقيقة. أجرى هذا الفريق سلسلة من الاختبارات وسجّل البيانات. وكانت النتائج مدهشة حيث حسّن الجهاز جميع المتطلبات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للبيانات أن تساعد في إنشاء أول معايير تصنيع في صناعة الروبوتات الناعمة.

الاختبار

تفصّل التقرير كيف أن الباحثين أنشأوا طريقة جديدة لضبط الديناميكيات الانقباضية للعضلة لتعزيز أداء محركهم الحيوي المختلط. بدأ الاختبار بقياس المسافة بين الأعمدة. من هنا، تم شد المطوية واستجابت خمس مرات.
سمح هذا الاختبار المستقل عن التردد للباحثين بتحديد متى أثرت تعب العضلة على الأداء بدقة. كما مكنهم هذا الضبط من الحصول على أقصى تحمل لإنشاءاتهم واختبار ضغط قدراتهم. أظهر الاختبار الأكثر كثافة نتائج مثيرة للاهتمام. على سبيل المثال، كشف أن الفواصل الزمنية الأعلى أحرقت ألياف العضلة بسرعة أكبر.

قابلية التعديل

غيّر المهندسون قوة المطوية عن طريق تعديل سمك أو مسافة الشعاعات التي تتصل بالقاعدة عن بعضها البعض. صُممت البنية لتُحسّن حركة العضلة الطبيعية وتدمجها مع صلابة المطوية ودرجة حركتها. ومن الجدير بالذكر أن المطوية الحيوية المختلطة الجديدة هي الأقوى والأدق حتى الآن.
يمكنها الانحناء والتمدد بدقة نانومترية، مما يجعلها مثالية للروبوتات الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يوفر الخرج المتزايد للضربة أداءً أعلى وموثوقية أكبر. ساعدت هذه العوامل فريق البحث على جذب مزيد من الاهتمام بنتائجهم.

أنسجة العضلات الهيكلية

بحث فريق MIT عن أنواع مختلفة من العضلات قبل أن يقرروا الخيار النهائي. تم اختيار أنسجة العضلات من الفئران بسبب توفرها، وتكلفتها المعقولة، وقدرتها على النمو في المختبر. كانت ألياف العضلة الناتجة موثوقة وساعدت في دفع المشروع نحو النجاح وفقًا للباحثين.

ألياف العضلة مقابل المحركات الاصطناعية

تُعد ألياف العضلة ممتازة في تحويل الطاقة الميكانيكية والكهربائية إلى أفعال قابلة للتحكم. لذلك، من المنطقي أن يسعى مهندسو الروبوتات إلى تكرار هذه الفوائد. مقارنةً بالمحركات التقليدية، تمكّن المحركات الحيوية المختلطة من تحقيق حركة فائقة الدقة. إنها تقدم مزيجًا من القوة والكفاءة والقدرة على التكيف الذي يستمر في جعلها موضوع نقاش.
بالإضافة إلى ذلك، تستخدم هذه الأجهزة طاقة أقل للتشغيل، وتوفر تتبعًا أفضل للقدرات، ويمكن أن تكون أصغر حجمًا بكثير. العوامل الرئيسية التي تحدد جودة المحرك هي قدرته على توفير نتائج موثوقة، والمتانة، والدقة، وقدرة القوة. تستمر محركات ألياف العضلة في إظهار واعد كحل مثالي للسوق.

الروبوتات الحيوية المختلطة

قد يبدو فكرة الروبوتات التي تستخدم مواد عضوية كأنها خرجت من فيلم خيال علمي. ومع ذلك، فإن الروبوتات الحيوية المختلطة موجودة منذ أكثر من عقد من الزمن. تجمع هذه الآلات بين الجوانب الطبيعية، مثل ألياف العضلة، ووظائف الروبوت لإنشاء نتائج مثيرة للإعجاب.
هناك بالفعل روبوتات تستخدم محركات قائمة على العضلات لتكرار مهام بشرية معقدة مثل السباحة أو الرقص. تستفيد هذه “الروبوتات الناعمة” من هيكل عظمي صناعي للثبات والاستقرار. يتيح هذا النهج للمهندسين إنشاء حركات أكثر مرونة ودقة يمكن أن تتطابق مع رقة يد الإنسان.

أنواع الروبوتات الحيوية المختلطة

هناك العديد من الأنواع المختلفة للروبوتات الحيوية المختلطة المستخدمة اليوم. هذه الأجهزة متنوعة بقدر ما هو العالم من حولك. ومع ذلك، الفئات الثلاث الرئيسية هي الكائنات الدقيقة، والأنسجة، والهيكل العظمي.

• الروبوتات الدقيقة تُبنى داخل أو تستفيد من مكونات الخلايا لإنجاز المهام. إنها صغيرة جدًا، مما يجعلها مثالية للمهام التي تتطلب دقة استثنائية. وبالتالي، قد تساعدك هذه الروبوتات الصغيرة يومًا ما على الشفاء أو إجراء فحوصات صحية للهواء الذي تتنفسه.
• الروبوتات القائمة على الأنسجة تستفيد من ألياف العضلة وغيرها من الأنسجة التي تُزرع في المختبر. يمكن أن تكون هذه الأجهزة مغيرة للعبة في مجال الأطراف الصناعية. تخيل روبوتًا يساعد المكفوفين على الرؤية أو يساعد البترى على المشي. بالإضافة إلى ذلك، يخفّض دمج الأنسجة البيولوجية مع الروبوتات التكاليف للمهام المتكررة الصغيرة ويُمكّن الآلات من الشفاء الذاتي.
• الروبوتات الهيكلية تستخدم هيكلًا عظميًا حيويًا يجعلها مثالية لتقليد حركات طبيعية معينة. المشي، والقفز، والرقص كلها أمثلة على الحركات الطبيعية التي تستمر الروبوتات الهيكلية في إتقانها.

التحديات التي تواجه الروبوتات الناعمة

إحدى القضايا الرئيسية التي يواجهها مهندسو الروبوتات الناعمة هي نقص كامل في أدوات التصميم والنمذجة الموحدة. أدى هذا النقص في التوحيد إلى تشتيت الصناعة في جميع الاتجاهات، مع فقدان الكثير من الجهد في تكرار المهام المتشابهة. بالإضافة إلى ذلك، يضيف الطابع غير المتوقع للعناصر البيولوجية متغيرًا آخر يجب على المهندسين التعامل معه.

مشكلات التكرار

على عكس الأجزاء المصنعة التي يمكن ضمان تماثلها في كل مرة، قد تتصرف خلايا العضلة المُزرعة في المختبر بشكل مختلف. على سبيل المثال، تعرف أن العضلة ستنقبض إذا تم شدها، لكن الحصول على النتيجة نفسها في كل مرة دون الوصول إلى الفشل هو المفتاح.
وبالتالي، من الصعب إنشاء مكونات بيولوجية توفر نفس الأداء. من المثير للاهتمام أن التقدم في طباعة الأنسجة ثلاثية الأبعاد قد يفتح الباب لحل هذه المشكلة في المستقبل.

المعايير

قد يساعد نجاح هذه المبادرة في وضع بعض المعايير العالمية في قطاع الروبوتات الحيوية المختلطة. حاليًا، هناك العديد من المشاريع المختلفة التي تستخدم إعدادات مختلفة لتحقيق الهدف نفسه. تم تصميم الابتكار الأخير ليكون محركًا بيوميكانيكيًا عالميًا.
يتيح هذا النهج لمهندسي الروبوتات استخدام هذه الأجهزة كلما احتاجوا إلى ذلك وتقليل وقت التطوير. بالإضافة إلى ذلك، يمكن دمج هذه التركيبات مع خيارات أخرى لدعم أي نوع من هياكل الروبوتات الهيكلية. يتيح هذا النموذج للمهندسين إنشاء روبوتات حيوية مختلطة معقدة يمكن ضبطها لخدمة أدوار محددة.

مهندسو MIT

يتضمن فريق المهندسين وراء هذا الجهد المميز ريتو رمان، أليكس د’آربيلوف، ناومي لينش، تارا شيهان، نيكولاس كاسترو، لورا روزادو، براندون ريوس، وأستاذ الهندسة الميكانيكية مارتن كولبيبر. ومن الجدير بالذكر أن كولبيبر معروف بمشاريعه في الآليات الروبوتية المصغرة.
إن خبرتهم وابتكاراتهم هي ما مكن الفريق من اختبار مجموعة متنوعة من المحركات قبل الاستقرار على قرارهم النهائي. وجدوا أن التركيب على شكل أكورديون مكن أن تتقلص أنسجة العضلة طبيعيًا مع تعزيز قوة الزنبرك.

مزايا التقنية الحيوية المختلطة

هناك العديد من الأسباب التي دفعت المهندسين إلى دمج البيولوجيا والروبوتات. يمكن لهذا الاندماج أن يجلب إمكانات لا نهائية إلى السوق. تخيل روبوتات تصبح أقوى كلما عملت أو يمكنها الشفاء والتكيف عند الحاجة.

الإدراك الحسي

تدمج الروبوتات الحيوية المختلطة البيولوجيا على المستوى الخلوي، مما يعني أن هذه الأجهزة يمكنها استغلال المواد العضوية. الطبيعة مليئة بأعضاء حسية مذهلة يمكنها اكتشاف كل شيء من الاتجاه إلى النبضات الكهربائية. يرغب المهندسون في الاستفادة من هذه الحساسات الطبيعية لتوسيع قدرات الروبوت.

واجهة الدماغ

مجال آخر يركز عليه مهندسو التقنية الحيوية المختلطة هو تحسين طريقة تفاعل الناس مع الآلات. على سبيل المثال، أنفق إيلون ماسك تمويلًا كبيرًا على واجهة الرابط العصبي، التي تتصل بالشبكة العصبية للدماغ وتفسّر الأوامر مباشرةً من الأفكار.

الأطراف الصناعية للجيل القادم

يعتبر الكثيرون أن الرعاية الصحية هي القطاع الذي سيستفيد أكثر من دمج الروبوتات الناعمة. تخيل طرفًا صناعيًا مصنوعًا من نسيج عضلي حقيقي، يمكن للشخص العمل معه لتحسينه، ويعيد محاكاة الأحاسيس المرتبطة بالعضو.

الاستدامة

إحدى أكبر مزايا التقنية الحيوية المختلطة هي القدرة على إنشاء روبوتات تندمج تمامًا مع بيئاتها. يمكن لهذه الأجهزة يومًا ما مراقبة البيئة وحتى المساعدة في إصلاحها. على سبيل المثال، تخيل حساسات يمكنها تتبع مستويات التلوث وتقليلها.

حالات الاستخدام المستقبلية للمحركات القائمة على العضلات

هناك العديد من حالات الاستخدام المستقبلية لهذا النوع من المحركات القائمة على العضلات. يمكن أن تُستخدم هذه الحلول الخفيفة الوزن لتشغيل جيل جديد من الروبوتات الدقيقة. لقد ثبت أن النظرية تحسن الكفاءة. وبالتالي، من الطيران إلى الرعاية الصحية هناك اهتمام كبير بأفعال الفريق.

الروبوتات تصبح أخف وزنًا، أصغر، وأكثر دقة

تقليل استهلاك الطاقة والوزن أمر منطقي. تحصل على عمر أطول وطاقة أكبر لأجهزتك. نتيجة لذلك، يسعى المزيد من المهندسين إلى خيارات ذات كفاءة طاقة يمكن تكييفها بسهولة لتناسب سيناريوهات مختلفة. يدمج المحرك الحيوي المختلط بين البيولوجيا والروبوتات بسلاسة لتحسين الحياة والكفاءة والقدرات. لهذه الأسباب، يستحق المشروع المتابعة في المستقبل.

يمكنك معرفة المزيد عن التطورات المثيرة في مجال الروبوتات هنا.