روبوتات ناعمة شبه مستقلة تستعد لإنقاذ الأرواح

عندما تفكر في الروبوتات، من المحتمل أن تتخيل آلة صلبة يمكنها إنجاز المهام أو مساعدتك في مساعيك. ومع ذلك، هناك فئة أخرى من الروبوتات تستمر في إثارة الدهشة وإدخال الابتكار – الروبوتات الناعمة. هذه الأجهزة الفريدة يمكنها تغيير شكلها وحركاتها لتلبية العديد من المهام. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

ما هي الروبوتات الناعمة ولماذا تُعدّ مغيرة للعبة؟

قطاع الروبوتات الناعمة هو سوق مثير يستمر في رؤية ترقيات هائلة وابتكارات. يرى الكثيرون هذه الأجهزة كمفتاح لجهود الإغاثة في الكوارث. طبيعة هذه الوحدات الناعمة والقابلة للتعديل تسمح لها بالضغط عبر ثقوب وأنابيب صغيرة عند الحاجة، مما يتيح للروبوت الوصول إلى أصعب المواقع التي سيكون من المستحيل تحقيقها باستخدام الخيارات التقليدية.
تصنع الروبوتات الناعمة من مواد مرنة تسمح لها بتغيير شكلها وثني هيكلها حسب الحاجة. تأتي هذه الأجهزة بأشكال متعددة، حيث تم تصميم بعضها للزحف عبر الأنابيب كالثعبان، بينما يمكن للآخرين أن يطوى أو يدور إلى كرة، مما يوفر وصولًا فائقًا عندما يتطلب الوضع ذلك.

التحديات الرئيسية التي تعيق تطوير الروبوتات الناعمة

الروبوتات الناعمة ليست مثالية. تصميمها وموادها الجوهرية يجعل إنشاء هذه الأجهزة توازنًا بين الأداء وتحديد موضع المكونات في مناطق لا تعيق المرونة. في الماضي، كان المهندسون يحدون من استخدام الإلكترونيات للمساعدة في تقليل صلابة إلكترونيات الروبوتات الناعمة.

تقليل عدد المستشعرات المتكاملة الموجودة في هذه الأنظمة يساعد على القضاء على اللوحات الصلبة والمحركات، لكنه يعني أيضًا أن هذه الأجهزة عادةً ما تكون محدودة بأنظمة اتصال أحادية الاتجاه. تُستخدم هذه الأنظمة لتوجيه المشغل للروبوت عبر التضاريس الوعرة.

مع إدراكهم للقيود في هذا النهج، قدم فريق من المهندسين المبدعين من عدة مؤسسات بحثية رائدة تصميمًا محسّنًا للروبوت الناعم يقلل الصلابة ويعزز الأداء في جميع الجوانب.

دراسة رائدة تكشف عن روبوتات ناعمة أكثر ذكاءً ومرونة

الدراسة “روبوت ناعم مبرمج مدمج نظاميًا متعدد الوظائف ولاسلكي“¹ المنشورة في مجلة Nano-Micro Letters تقدم مفهومًا جديدًا للروبوت الناعم يكون أكثر قدرة وتكلفة أقل من الخيارات السابقة. كجزء من القدرات المحسّنة للروبوت، قدم الفريق مجموعة من المستشعرات التي تسمح للجهاز باتخاذ قرارات شبه مستقلة بناءً على وضعه الحالي ومحيطه.

داخل تصميم الروبوتات الناعمة من الجيل التالي

كجزء من تصميم الروبوت الناعم الجديد، بدأ الفريق بإعادة إنشاء تخطيط الروبوت الناعم من الصفر. أدركوا أنهم بحاجة إلى صنع الجهاز بطريقة تسمح له بتحقيق أشكال وحركات متعددة مع استهلاك طاقة منخفض. لتحقيق ذلك، دمجوا مصفوفات مركبة ناعمة تستجيب للمغناطيس مع إلكترونيات متعددة الوظائف قابلة للتشوه.

كيف يحافظ المهندسون على المرونة في الروبوتات الناعمة المتقدمة

الحفاظ على مرونة الروبوتات الناعمة يمثل مشكلة رئيسية للمصممين والمهندسين على حد سواء. كلما أضفت شريحة أخرى أو مستشعرًا أو بطارية أو محركًا، فإنك تقيد مرونة ذلك الجزء من الروبوت بشكل كبير. وبالتالي، الروبوتات الناعمة الأكثر قدرة عادةً ما تكون أقل مرونة لأن مكوناتها الأساسية لا يمكنها الانحناء دون فشل.
قضى الفريق الكثير من الوقت في مناقشة الدائرة اللاسلكية المثالية، والمستشعرات، والأجهزة. بعد ذلك، كان على المهندسين تحديد الموقع الأنسب لهذه الأجهزة التي تؤثر على الحركة. في النهاية، تم الاتفاق على تخطيط محدد يوزع الإلكترونيات بطريقة تسمح للروبوت بالتكيف الكامل وحتى الانحناء إلى كرة عند الحاجة.

الحركة المتحكم فيها مغناطيسيًا: كيف تتحرك هذه الروبوتات الناعمة

بعد ذلك، احتاج المهندسون إلى معرفة كيفية تزويد الروبوت بقدرة تغيير شكله. لهذه الخطوة، لجأوا إلى عدة مركبات مغناطيسية. على وجه التحديد، تُحضّر المركبات المغناطيسية بخلط الـWcMPs المُصنّعة مع مادة سيليكون مطاطية وعامل تجفيف.

من هناك، استُخدم الليزر لنقش المركبات الناعمة المغناطيسية قبل تطبيق الحرارة. الخطوة التالية تطلبت من المهندسين برمجة مجال مغناطيسي خارجي (200 ميتا تسلا) لتدوير ومحاذاة اتجاه الجسيمات المغناطيسية المدمجة. أخيرًا، سُمح للمغناطيسات الجديدة بأن تبرد.

صُممت هذه المغناطيسات المصممة خصيصًا لتخضع لانتقال طوري عند درجة حرارة منخفضة، مما يسمح للمهندسين بتغيير القطبية المغناطيسية خلال ثوانٍ. من خلال ضبط قوة المجال واتجاهه، يمكن للفريق جعل الروبوت يؤدي مهامًا وأشكالًا معينة. وأشاروا إلى أنهم تمكنوا من جعل جهازهم ينحني ويلتف ويزحف باستخدام هذه الطريقة.

توجيه الروبوتات الناعمة بدقة باستخدام المجالات المغناطيسية

أنشأت المختبر مادة مغناطيسية تم دمجها في الهيكل المرن للوحدة. مكن هذا الإجراء المهندسين من التحكم في الجهاز باستخدام المجالات المغناطيسية. طبق المهندسون المجال عبر مغناطيسات يدوية ومولدات حقول كهرومغناطيسية.
على وجه التحديد، تم اختيار مغناطيس NdFeB دائم تجاري ومغناطيس أسطواني مخصص كأفضل طريقة لتطبيق مجال مغناطيسي خارجي. تولد هذه الأجهزة قوة كافية لتحريك الروبوت الناعم المغناطيسي.

المستشعرات المتكاملة التي تجعل الروبوتات الناعمة شبه مستقلة

في صميم هذا البحث كان هناك رغبة في صنع أول روبوتات ناعمة شبه مستقلة. ستدمج هذه الأجهزة مجموعة من المستشعرات التي تسمح لها باتخاذ قرارات بناءً على البيئة. على سبيل المثال، يمكن ضبط الوحدة للاستجابة لتغيّر درجات الحرارة أو العقبات أو القيود الزمنية.

التغلب على التداخل المغناطيسي في إلكترونيات الروبوت الناعم

كان المهندسون يعلمون أن وجود المغناطيسات سيتسبب في بعض المشكلات الجديدة التي يجب معالجتها، وخاصة التداخل. المجالات المغناطيسية ممتازة لتفعيل المغناطيسات لكنها ليست جيدة من حيث التداخل الإلكتروني. يمكن لهذه المجالات المغناطيسية أن تعطل وظائف الإلكترونيات وتخلق فوضى.
وبالتالي، قضى المهندسون الكثير من الوقت في تحديد التخطيط المثالي للإلكترونيات. تمكنوا من تحديد أفضل موضع للمستشعرات والرقائق بناءً على مستويات التداخل والقوة المسبقة. هذه الخطوة ضمنت أن الروبوت الناعم لن يفشل فجأة عندما يغير شكله ويعدل خصائصه الكهرومغناطيسية.

اختبار قدرات الروبوتات الناعمة في بيئات واقعية

لإظهار قدرات الروبوتات الناعمة الخاصة بهم، أنشأ الفريق مسار عقبات صغير. تمكن الجهاز الصغير المدفوع بالمغناطيسية من عبور مجموعة متنوعة من التضاريس والعقبات لإكمال الرحلة بنجاح. يمكن رؤية الروبوت في فيديو منشور وهو يعبر التضاريس عن طريق تعديل شكله وتكوينه.

يدخل الروبوت أولاً إلى أنبوب ويتحول إلى كرة، مما يتيح له المرور بسرعة عبر العقبة. بعد ذلك، صادف عدة أنواع من التضاريس، تختلف في التكوين والارتفاع والخشونة. خلال هذه الاختبارات، كان المهندسون حريصين على مراقبة الاستقرار وأداء الإلكترونيات.

كيف تؤدي المكونات الكهربائية تحت الضغط المغناطيسي

تم اختبار المكونات الكهربائية للروبوت بدقة أيضًا. قيست هذه الاختبارات تأثير التداخل الكهرومغناطيسي على المكونات الحيوية للأجهزة، مثل المحث، ودرجة الحرارة، والضغط، والترانزستورات، والمكثفات، وμ-LED، وμ-سخان، والميكروكنترولر (μC)، والثنائيات، ونظام البلوتوث منخفض الطاقة على رقاقة واحدة.

النتائج تثبت أن تصميم الروبوت الناعم الجديد يعزز الأداء

أثبتت نتائج الاختبار أن تصميم الروبوت الناعم الجديد كان فعالًا للغاية وأداءً أفضل من الروبوتات الناعمة التقليدية. أشاروا إلى أن الروبوتات الإلكترونية غير المربوطة والمركبات الهندسية المستجيبة للمغناطيس سمحت للمهندسين بتحقيق نطاق استثنائي من الحركات والأشكال.
يوفر تصميم الروبوت تنفيذًا ثابتًا ودقيقًا للوظائف الكهربائية متعددة الأنماط دون أي فقدان للحركة الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، سمحت المستشعرات للروبوت باتخاذ قرارات في الوقت الفعلي لتحقيق هدفه. أظهر هذا النهج القدرة على التكيف وإمكانية الجهاز على أداء مهام معقدة تحت مجموعة واسعة من الظروف.

فوائد الروبوتات الناعمة في الإنقاذ والطب والصناعة

هناك العديد من الفوائد التي يجلبها هذا البحث عن الروبوتات الناعمة إلى السوق. أولاً، يفتح الباب أمام أجهزة أكثر قدرة ورشاقة. استخدام المغناطيس بدلاً من المحركات يجعل هذه الوحدات أكثر مرونة وخفة واستجابة. تعني هذه الفوائد أن المهندسين يمكنهم أن يكونوا أكثر ابتكارًا في تصاميمهم في المستقبل. كما يتيح لهم تصغير أو تكبير تصاميمهم بناءً على المتطلبات.

حالات الاستخدام الواقعية ومستقبل الروبوتات الناعمة

هناك العديد من التطبيقات للروبوتات الناعمة في السوق اليوم. من تولي المهام الصناعية إلى العمل جنبًا إلى جنب مع البشر، ستعيد هذه الأجهزة تشكيل السوق بطرق عديدة. إليكم بعض من أفضل سيناريوهات الاستخدام للروبوتات الناعمة في السنوات القادمة.

الإنقاذ في الكوارث

يرى العديد من المحللين الروبوتات الناعمة كأفضل حل لجهود التعافي من الكوارث. عندما تحدث كوارث كبيرة مثل الزلازل أو الفيضانات، قد تعيق فرق الإنقاذ كمية الأنقاض والدمار الكبيرة الناتجة عن الحدث.
تم تصميم الروبوتات الناعمة لتتنقل بسهولة في هذه الظروف. في المستقبل، يمكن تجهيزها بمستشعرات تساعد على تحديد موقع الناجين باستخدام تقنيات مثل مستشعرات نبض القلب أو الأمونيا. يمكن نشر هذه الوحدات على نطاق واسع لتشق طريقها عبر المباني المنهارة أو الغابات الوعرة حتى تجد حياة. وبالتالي، قد تصبح أداة قيمة لفرق الاستجابة الأولى في المستقبل.

الطب

لدى الروبوتات الناعمة تاريخ طويل ومثير في المجال الطبي. قد تقوم هذه الأجهزة يومًا ما بتوصيل الأدوية إلى مناطق يصعب استهدافها مثل الكبد أو الكلى. ستكون هذه الروبوتات قادرة على التنقل عبر المسارات المعقدة للجسم البشري وإكمال المهام.
على سبيل المثال، ستدمج حبة الروبوت مستشعرات متقدمة يمكنها تتبع بيانات مثل تغيرات درجة الحموضة أو تغيرات الضغط في المصدر. يتخيل المهندسون أيضًا يومًا يمكن فيه تلقي حقنة لتحميل الروبوت داخل جسمك لعلاج أمراض القلب والأوعية الدموية، أو توصيل الأدوية، أو مراقبة التفاصيل الحيوية.

المساعدة الصناعية

ستكون الروبوتات الناعمة موجودة في كل مكان في مصانع المستقبل. على عكس نظيراتها الصلبة، يمكن للروبوتات الناعمة العمل بجانب البشر دون زيادة خطر الإصابة. بالفعل، يبحث العلماء في نظام استجابة يعتمد على المستشعرات يجعل هذه الوحدات تتفاعل كإنسان عندما تصطدم بزملائها في العمل، فتتراجع وتمنع الإصابة.

قابل المهندسين وراء ابتكار الروبوت الناعم

شمل هذا البحث مشاركين من عدة مؤسسات تعليمية متأثرة بشكل كبير. على وجه التحديد، قاد مهندسو Penn State الدراسة جنبًا إلى جنب مع فريق من الباحثين من مؤسسات أخرى.
تُدرج التقرير أسماء Sungkeun Han، Jeong-Woong Shin، Joong Hoon Lee، Bowen Li، Gwan-Jin Ko، Tae-Min Jang، Ankan Dutta، Won Bae Han، Seung Min Yang، Dong-Je Kim، Heeseok Kang، Jun Hyeon Lim، Chan-Hwi Eom، So Jeong Choi، Huanyu Cheng، وSuk-Won Hwang كمساهمين. كما يذكر أن المؤسسة الوطنية للبحث في كوريا الجنوبية ومعهد كوريا للعلوم والتكنولوجيا ساهما في تمويل هذا البحث.

ما هو التالي للروبوتات الناعمة: التصغير والطب

وفقًا للمهندسين، لديهم العديد من الخطط لتحسين جهازهم في المستقبل. يأملون في تصغير النظام أكثر لجعله مناسبًا لحالات الاستخدام الطبية الحيوية. تخيل حبة تكون روبوتًا مصممًا لفحص مسار أمعائك وجهازك الهضمي. كل هذه الخيارات وأكثر متاحة على الطاولة.

الاستثمار في التكنولوجيا الحيوية

مجال الروبوتات هو قطاع سريع النمو يتراوح بين الشركات التي تصنع آلات حربية إلى الآلات الدقيقة التي يمكنك بلعها. شهد هذا القطاع المتنوع استثمارات وابتكارات كبيرة خلال العقد الماضي. أسفر هذا البحث عن تقديم روبوتات عالية الأداء أصبحت الآن متاحة تجاريًا. إليكم شركة واحدة تستمر في دفع الابتكار في مجال الروبوتات والتكنولوجيا الحيوية.

iRhythm Technologies: شركة رائدة في مراقبة القلب مدفوعة بالذكاء الاصطناعي

بينما الدراسة الحالية لم تُسوق بعد، تُظهر شركات التكنولوجيا الحيوية الأخرى مثل iRhythm Technologies بالفعل وعد دمج الذكاء الاصطناعي مع الروبوتات المراقبة للصحة.

iRhythm Technologies (IRTC ) تأسست في عام 2006 وتم تسجيلها في ديلاوير. أسسها Uday N. Kumar لتوفير أنظمة مراقبة القلب المتقدمة لفرق الاستجابة الأولى. كان أول منتجاتها لاصق مستشعر تم تبنيه في قطاع الرعاية الصحية.

اليوم، تقدم iRhythm Technologies مجموعة من أجهزة مراقبة القلب المتقدمة. تجمع هذه الوحدات بين الذكاء الاصطناعي المملوك وتعلم الآلة لتحديد اضطراب النظم القلبي بسرعة أكبر. ومن الجدير بالذكر أن الشركة تواصل تحسين منتجاتها والذكاء الاصطناعي من خلال دمج بياناتها في الأجهزة المستقبلية. الذين يبحثون عن الوصول إلى شركة تكنولوجيا حيوية تتمتع بدعم قوي من السوق يجب أن ينظروا في IRCTC.

آخر المستجدات حول iRhythm Technologies

لماذا قد تكون الروبوتات الناعمة منقذة للحياة في المستقبل القريب

عند فحص سيناريوهات الاستخدام وقدرات هذه الأجهزة، يصبح من السهل رؤية أنها تملأ فجوة لا يمكن للروبوتات التقليدية ملؤها. وبالتالي، من المتوقع أن يزداد الطلب على هذه الأجهزة الفريدة مع فهم أفضل لقدراتها.

لحسن الحظ، تساعد هذه الدراسة الأخيرة في إلقاء الضوء على هذه الأجهزة وتفتح الباب لمزيد من الابتكار. في الوقت الحالي، يمكن لأي شخص مهتم بالمساعدة في تسمية هذه الروبوتات تقديم أفضل خياراته إلى Cheng على البريد الإلكتروني [email protected].

تعرف على روبوتات أخرى رائعة هنا.

الدراسات المرجعية:

^{1. Han, S., Shin, JW., Lee, J.H. et al. روبوت ناعم مبرمج مدمج نظاميًا متعدد الوظائف ولاسلكي. Nano-Micro Lett. 17, 152 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-024-01601-3} (NRC )