Programmable Telescopic Soft Pneumatic Actuators for Deployable and Shape Morphing Soft Robots
تقدم هذه الورقة المشغلات الهوائية اللينة التلسكوبية القابلة للبرمجة (PTSPAs)، وهي فئة بارامترية من المشغلات اللينة التي تتيح التمدد المحوري وتشكيل الشكل من أجل الروبوتات القابلة للنشر، والتي تم التحقق منها من خلال استكشاف تصميمي منهجي وتم استعراضها في روبوت رباعي الأرجل قادر على التكيف مع المساحات الضيقة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل روبوتاً لا يحتاج إلى أن يُبنى من أجزاء معدنية صلبة أو تروس معقدة، بل يتكون بدلاً من ذلك من مواد ناعمة ومرنة يمكنها التمدد والانحناء وتغيير شكلها. هذا هو الوعد الذي تقدمه الروبوتات اللينة، وهو مجال يسعى لابتكار آلات قادرة على التحرك عبر مساحات ضيقة وغير متوقعة حيث قد تتعثر الروبوتات التقليدية أو تنكسر. وخلافاً للآلات القياسية التي تعتمد على مفاصل ومحركات ثابتة، تستخدم الروبوتات اللينة ضغط الهواء لتغيير شكلها، مما يسمح لها بالانضغاط عبر الشقوق الضيقة، والإمساك بالأجسام الرقيقة دون سحقها، والتكيف مع أجسامها مع البيئة المحيطة بها. ومع ذلك، كان تصميم هذه الآلات بمثابة لغز صعب؛ فبسبب قدرة المواد اللينة على اتخاذ عدد لا نهائي تقريباً من الأشكال، كافح المهندسون لإيجاد طريقة موثوقة للتنبؤ بكيفية حركة تصميم معين أو مدى قوته. إن العدد الهائل من الاحتمالات يجعل من الصعب اختبار كل خيار، مما ترك الباحثين دون خريطة واضحة لبناء آلات لينة أفضل وأكثر تعدد الاستخدامات.
ولحل هذه المشكلة، طور فريق من الباحثين من أستراليا نوعاً جديداً من أجزاء الروبوتات اللينة يسمى "المشغل الهوائي التلسكوبي القابل للبرمجة". فكر في هذا الجهاز كأنبوب مرن وقابل للنفخ يمكنه أن يزداد طولاً بشكل كبير عند ملئه بالهواء، تماماً مثل التلسكوب الذي تمتد أقسامه، ولكنه مصنوع بالكامل من مادة تشبه المطاط الناعم. لقد ابتكر الباحثون نظاماً حاسوبياً يعمل كمولد للتصاميم، مما يسمح لهم بإدخال تعليمات بسيطة لإنشاء نسخ مخصصة من هذه الأنابيب. وبدلاً من رسم كل منحنى يدوياً، يستخدم النظام مجموعة من القواعد القابلة للتعديل لتشكيل الهيكل الداخلي للمشغل. يتيح هذا النهج لهم اختبار مئات التصاميم المختلفة بسرعة لمعرفة أي منها يتمدد لأبعد مدى، أو ينحني في اتجاهات محددة، أو يصبح صلباً بما يكفي للضغط على جدار. ومن خلال أتمتة عملية التصميم، حولوا البحث الفوضوي عن الشكل المثالي إلى استكشاف منظم وخطوة بخطوة.
قام الفريق ببناء سلسلة من هذه المشغلات باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد تستخدم بلاستيكاً ناعماً خاصاً، ثم اختبروها على آلة يمكنها قياس كيفية تحركها بدقة. ووجدوا أنه من خلال تغيير سمك الجدران أو شكل المنحنيات الداخلية، يمكنهم التحكم في سلوك المشغل. فقد تمددت بعض التصاميم لتصل إلى أكثر من ستة أضعاف طولها الأصلي، وهو توسع هائل يسمح للروبوت بالوصول بعيداً في مساحة ما ثم التراجع. وصُممت تصاميم أخرى لتنحني أثناء نموها، وهو أمر مفيد لتوجيه الروبوت حول الزوايا. واكتشف الباحثون أن أنجح التصاميم اعتمدت على نمط محدد من الأقسام السميكة والرفيعة داخل المادة. سمحت هذه الاختلافات للمشغل بالتمدد بسلاسة دون الانهيار، والأهم من ذلك، مكنته من الانكماش بشكل موثوق عند سحب الهواء للخارج، وهي ميزة تفتقر إليها العديد من الروبوتات اللينة السابقة لأن موادها كانت رخوة جداً بحيث لا تعود إلى شكلها الأصلي من تلقاء نفسها.
ولإثبات أن هذه الأجزاء الجديدة يمكن استخدامها في سيناريوهات واقعية، بنى الباحثون روبوتاً صغيراً بأربع أرجل يحتوي أيضاً على ذيل وعمود فقري طويل وقابل للتمدد. وقد أطلقوا على هذا الابتكار اسم "تيرتل-رو" (Turtle-Roo) لأنه يجمع بين ميزات السلحفاة والكنغر. في المساحات المفتوحة، يمكن للروبوت تمديد عموده الفقري وأرجله لاتخاذ خطوات طويلة تشبه حركة دودة الأرض. وعند مواجهة أرض وعرة، يمكنه الانتقال إلى حركة زحف أبطأ وأكثر استقراراً. لكن الاختبار الحقيقي جاء في مساحة ضيقة، مثل نفق ضيق؛ فبسبب كون أرجل الروبوت وذيله مصنوعين من هذه المشغلات التلسكوبية، استطاع الانضغاط عبر الفتحة الضيقة دون الحاجة إلى أي مستشعرات أو كاميرات لإخباره إلى أين يذهب. وبينما كان يدفع نفسه للأمام، كان جسمه اللين يضغط بشكل طبيعي على جدران النفق، مما يوجه نفسه نحو المخرج. هذه القدرة على التكيف مع الشكل والحركة تلقائياً، بمجرد التفاعل مع المساحة الفيزيائية المحيطة به، أظهرت نوعاً جديداً من الذكاء المدمج مباشرة في جسم الروت.
يظهر هذا العمل أنه باستخدام طريقة منهجية لتصميم هذه الأجزاء اللينة، يمكن للمهندسين الآن إنشاء آلات ليست مرنة فحسب، بل قادرة أيضاً على تغيير حجمها وشكلها بناءً على أمر ما. وقد أثبت الباحثون أن مشغلاتهم الجديدة يمكن أن تحقق زيادة في الطول تصل إلى 650 بالمائة، وهي قفزة كبيرة تفتح الباب أمام الروبوتات التي يمكن نشرها من عبوة صغيرة لتصبح آلة كبيرة عاملة. وبينما تُصنع النماذج الأولية الحالية من مواد تستهلك بعد حوالي مائة استخدام، فإن نجاح إطار التصميم يشير إلى أن النسخ المستقبلية يمكن صنعها من مواد أكثر متانة. ويقدم هذا النهج مساراً واضحاً للمضي قدماً في بناء روبوتات لينة يمكنها التنقل في مناطق الكوارث، أو استكشاف كهوف أعماق البحار، أو المساعدة في الإجراءات الطبية، وكل ذلك من خلال تغيير شكلها لتناسب العالم من حولها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.