Reconfigurable Structural Robotic Assembly: Interlocking 3D Aggregations with Self-Aligning Compound Nested Lattice Modules

تخيل عالماً لا يقتصر فيه البناء على مجرد اتباع مخطط هندسي، بل يعتمد على قدرة القطع نفسها على معرفة كيفية التوافق مع بعضها البعض. لفترة طويلة، تعامل العلماء والمهندسون مع الروبوتات ومواد البناء كفريقين منفصلين؛ فالروبوت هو "العقل"، المزود بكاميرات وبرمجيات معقدة لتحديد مكان الإمساك بالطوبة وكيفية وضعها، أما الطوبة، من ناحية أخرى، فهي مجرد جسم ثقيل وغير ذكي ينتظر من يملي عليه ما يفعله. ولكن ماذا لو استطاعت الطوبة القيام بجزء من التفكير؟ هذه الفكرة، التي تسمى "الذكاء الهندسي"، تقترح أنه يمكننا تصميم مواد ذات أشكال توجهها طبيعياً إلى مكانها، تماماً مثل لغز يحل نفسه بنفسه. تستكشف هذه الورقة جانباً من العلم حيث يلتقي المعمار بالروبوتات، وتطرح سؤالاً بسيطاً ولكنه ثوري: هل يمكننا بناء نظام تكون فيه وحدات البناء ذكية بما يكفي لمساعدة الروبوتات في بنائها، مما يجعل عملية البناء أسرع، وأقوى، وقابلة للتفكيك وإعادة الاستخدام؟

قرر الباحثون وراء هذا المشروع، وهم فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) والمدرسة المتعددة التقنيات في لوزان (EPFL)، التوقف عن معاملة الروبوت والمادة كمشكلتين منفصلتين. بدلاً من ذلك، صمموا وحدة بناء خاصة تعمل مثل "ليغو ذكي" للعالم الحقيقي. لقد ابتكروا وحدة مركبة مكونة من شكلين ملتصقين: "المثمن المقطوع الأوجه" (cuboctahedron) - تخيل مكعباً قُطعت أركانه - و"ثماني الأوجه" (octahedron) - مثل هرمين ملتصقين بقاعدتيهما. الجزء "الذكي" يأتي من كيفية ترتيب هذه الأشكال؛ فالأوجه المسطحة للمثمن المقطوع الأوجه تعمل كمنصة هبوط مثالية لمقبض الروبوت، بينما يحتوي جزء ثماني الأوجه على آلية برغي مدمجة تنقر في مكانها.

إليك الخدعة السحرية: هذه الكتل مصممة لتتعاشق داخل بعضها البعض. تخيل مجموعة من دمى "الماتريوشكا" الروسية، ولكن بدلاً من أن تصبح أصغر حجماً فقط، فإنها تتداخل في فضاء ثلاثي الأبعاد. أنشأ الفريق "وحدة مركبة" أكبر مكونة من ثماني هذه الوحدات. وعند تكديسها، تكون الطبقة العليا مزاحة قليلاً عن الطبقة السفلى، مما يخلق نمطاً متدرجاً ومتداخلاً. هذه الهندسة تقوم بالعمل الشاق نيابة عن الروبوت؛ فهي تخبر الروبوت بالضبط أين يمسك القطعة، وكيف يضبط اتجاهها حتى لا تسقط، وكيف يثبتها بإحكام في الهيكل الموجود أسفلها. الأمر يشبه أن وحدات البناء تهمس بالتعليمات للروبوت: "أمسكني هنا، مررني هناك، ثم انقر!"

لم يكتفِ الفريق بالحلم بهذا المشروع، بل بنوه ووضعوه قيد الاختبار. استخدموا ذراعاً روبوتية ثابتة وروبوتاً متنقلاً (روبوت على عجلات) لتجميع الهياكل. كانت النتائج مبهرة؛ فقد بنوا كرسياً حاملاً للأحمال يمكنه تحمل وزن إنسان كامل، ومقعداً، وطاولة، وحتى إطار باب. وفي الواقع، قاموا بتجميع باب على الأرض ثم رفعوه قائماً، مما أثبت أن الهيكل قوي بما يكفي لتحمل وزنه دون الانهيار. وعندما اختبروا وحدات البناء الفردية في آلة ضغط، أظهرت الكتل صلابة بلغت 4,556 نيوتن/مم، واستطاعت تحمل حمل أقصى قدره 3,445 نيوتن، ومعامل انضغاط بلغ 17.5 ميجا باسكال.

ربما يكون الجزء الأكثر إثارة هو أن هذا ليس نظاماً للاستخدام لمرة واحدة. نظرًا لأن الكتل تستخدم وصلات "الارتباط بالنقر" القابلة للفك عبر البرغي، يمكن تفكيكها واستخدامها لبناء شيء مختلف تماماً. وقد أثبت الفريق ذلك من خلال تفكيك باب وإعادة تجميعه ليصبح طاولة. يشير هذا إلى مستقبل لا تكون فيه المباني نصب تذكارية دائمة، بل أنظمة دائرية حيث تُعاد استخدام المواد باستمرار، مما يقلل من النفايات.

تجادل الورقة ضد الطريقة القدية في التفكير، حيث يتركز كل الذكاء في برمجيات الروبوت وتكون المواد خاملة. بدلاً من ذلك، يوضح الباحثون أنه من خلال تشفير "التعليمات" مباشرة في شكل المادة، يمكنك إنشاء نظام أكثر متانة وسهولة في التجميع. وبينما تعتمد النتائج الحالية على نماذج أولية فيزيائية واختبارات الضغط، يشير المؤلفون إلى أن هذا النهج يمكن أن يتوسع لبناء هياكل أكبر بكثير، وربما باستخدام أسراب من الروبوتات المتنقلة التي تعمل معاً. كما لمحوا إلى أنه في المستقبل، يمكن للبشر التحدث إلى هذه الروبوتات باستخدام اللغة الطبيعية أو الواقع المختلط لتوجيه عملية التجميع، ولكن في الوقت الحالي، ينصب التركيز على إثبات أن الهندسة نفسها يمكنها القيام بالعمل.

باختصار، توضح هذه الورقة أنه إذا صممت وحدات البناء الخاصة بك بشكل صحيح، فيمكنها مساعدة الروبوتات في بنائها. إنها خطوة نحو مستقبل يكون فيه البناء أقل اعتماداً على القوة الغاشمة وأكثر اعتماداً على الهندسة الذكية ذاتية المحاذاة، والتي يمكن بناؤها، وتفكيكها، وإعادة بنائها مرة أخرى.