Pneumatic neurons for soft robots enable inflate-and-fire networks for rhythmic motion

في العالم الطبيعي، غالبًا ما تبدو الحركة وكأنها حوار بين الجسد والبيئة. فالدودة التي تزحف عبر التربة أو الحشرة التي تتنقل فوق ورقة شجر لا تعتمد على دماغ مركزي واحد لإصدار كل أمر. بدلاً من ذلك، تستخدم هذه الكائنات شبكات موزعة من الأعصاب تمتد على طول أجسادها، مما يسمح للأجزاء المختلفة بالتفاعل مع الظروف المحلية مع الاستمرار في الحركة بإيقاع منسق. هذه الاستراتيجية البيولوجية، المعروفة باسم مولد النمط المركزي، تسمح بالمرونة والقدرة على التكيف؛ فإذا تعرض جزء من النظام للاضطراب، يمكن للأجزاء الأخرى غالبًا أن تتكيف دون الحاجة إلى أمر من الأعلى إلى الأسفل. وقد سعى علم الروبوتات اللينة، وهو مجال مخصص لبناء آلات من مواد مرنة ومطاوعة بدلاً من المعادن والبلاستيك الصلب، منذ فترة طويلة إلى محاكاة هذا النوع من الذكاء اللامركزي. ومع ذلك، لا تزال معظم الروبوتات اللينة اليوم تعتمد على مضخات خارجية ضخمة وأجهزة تحكم إلكترونية معقدة لتخبر متى تتحرك، مما يحد من قدرتها على العمل بشكل مستقل في البيئات النائية أو الدقيقة.

لقد اتخذ باحثون في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال ابتكار روبوت لين يتحكم في نفسه باستخدام نفس المبادئ الموجودة في الطبيعة، ولكن دون أي إلكترونيات رقمية. فقد طوروا نوعًا جديدًا من الوحدات اللينة أطلقوا عليه اسم "العصبون الهوائي"، والذي يعمل كوحدة قائمة بذاتها قادرة على الاستشعار والتفكير والعمل في آن واحد. ومن خلال ربط هذه الوحدات معًا في حلقة، أنشأ الفريق نظامًا يولد حركته الإيقاعية الخاصة، تمامًا مثل الجهاز العصبي للدودة. يتحرك الروبوت عن طريق نفخ وتفريغ أجزائه في موجة متحركة، مدفوعة بالكامل بفيزياء الحرارة والضغط بدلاً من برنامج كمبيوتر. ويسمح هذا النهج للروبوت بتكييف حركته مع التغيرات في درجة الحرارة أو الحمل المادي ببسابب التفاعل مع محيطه، مما يفتح مسارًا جديدًا نحو آلات تكون قوية ومستقلة بقدر الكائنات الحية التي تحاكيها.

يكمن جوهر هذا الاختراع في كيس لينة صغير مملوء بسائل خاص يغلي عند درجة حرارة منخفضة جدًا. وفي داخل كل كيس يوجد سخان صغير ومفتاح ميكانيكي مصنوع من بلاستيك مرن. عندما يتدفق التيار الكهربائي إلى السخان، يتحول السائل الموجود داخل الكيس إلى غاز، مما يؤدي إلى تمدد الكيس. وهذا التمدد ليس مجرد حركة، بل هو أيضًا إشارة. فعندما ينتفخ الكيس، فإنه يضغط على المفتاح الميكانيكي الداخلي. وقد صُمم المفتاح بعتبتين متميزتين: نقطة منخفضة حيث يقطع الطاقة عن الوحدة السابقة، ونقطة أعلى حيث يرسل الطاقة إلى الوحدة التالية في الخط. وهذا يخلق دورة يسميها الباحثون "النفخ والإطلاق". ينتفخ الجزء، ويحفز جاره، ثم يبرد، مما يسمح للغاز بالعودة إلى حالة السائل لتبدأ الدورة من جديد. ولأن السائل يغلي عند درجة حرارة منخفضة جدًا، يمكن للنظام أن يعمل بطاقة قلي ضئيلة، ولأن المفتاح ميكانيكي، فهو لا يتطلب رقائق دقيقة أو برمجيات للعمل.

ولاختبار ما إذا كان بإمكان هذه الوحدات الفردية العمل معًا لإنشاء حركة معقدة، قام الباحثون بتوصيلها في حلقة. ووجدوا أنه لكي ينتج النظام موجة حركة مستقرة ومتكررة، يجب على الوحدات القيام بثلاثة إجراءات محددة: كان عليها تحفيز الوحدة التالية، وتثبيط الوحدة السابقة، والحفاظ على حالتها الخاصة حتى تكون الوحدة التالية جاهزة لتولي المهمة. وبدون كل هذه السلوكيات الثلاثة، سيظل النظام إما عالقًا في حالة انتفاخ واحدة أو ستتلاشى الإشارة قبل أن تتمكن من الانتقال حول الحلقة. وعندما بنى الفريق حلقة مكونة من ثلاث وحدات فقط، نجحت في توليد موجة مستمرة متحركة. وفي أي لحظة، كانت وحدتان من الثلاثتين نشطتين ودافئتين، تقومان بنقل الإشارة في حلقة سلسة. سمحت حالة "الاثنين الساخنين" هذه للروبوت بالحفاظ على إيقاعه إلى أجل غير مسمى طالما توفر مصدر للطاقة، مما أثبت أن الشبكة يمكنها تنظيم نفسها ذاتيًا دون وجود دماغ مركزي.

تكمن القوة الحقيقية لهذا النظام في قدرته على التكيف مع العالم المادي. اختبر الباحثون الروبوت عن طريق إضافة أوزان إلى وحدات معينة وتغيير درجة حرارة البيئة. فعندما وضعوا أوزانًا ثقيلة على الروبوت، جعل الضغط المضاف المفاتيح الميكانيكية تعمل في وقت مبكر، لكن الوزن جعل أيضًا من الصعب على الوحدات أن تفرغ من الهواء. أدى هذا إلى تغيير توقيت الموجة، مما أبطأ الروبوت، لكنه لم يوقفه. لقد قام الروبوت ببساطة بتعديل وتيرته لتناسب الحمل الجديد. وبالمثل، عندما قاموا بتبريد الروبوت في مجمد، تباطأت الموجة وتوقفت في النهاية لأن السائل لم يستطع الغلي بسرعة كافية. وعندما قاموا بتسخينه على لوح ساخن، انتفخت الوحدات تلقائيًا، ودخل النظام في حالة مختلفة حيث توقف عن التذبذب وحافظ على شكل ثابت. أظهرت هذه التجارب أن سلوك الروبوت ليس ثابتًا بواسطة كود مكتوب مسبقًا، بل ينبثق مباشرة من التفاعل بين الخصائص المادية للروبوت وبيئته.

ربما كان العرض الأكثر إثارة لصمود هذا النظام هو ما فعله الباحثون عندما قطعوا الحلقة فعليًا إلى نصفين. في الروبوت التقليدي، يؤدي قطع خط التحكم إلى فشل الآلة بأكملها. أما هنا، فعندما قطع الفريق الحلقة المكونة من ست وحدات إلى حلقتين منفصلتين من ثلاث وحدات، بدأت كلتا النصفين في التذبذب فورًا بمفردهما. استمر أحد النصفين في موجته، ووجد النصف الآخر، بعد إعادة تشغيل يدوية قصيرة، إيقاعه أيضًا. لم يكن النظام بحاجة إلى إعادة برمجة أو إعادة توصيل؛ إذ سمحت عملية قطع الاتصال البسيطة للحلقات الجديدة بتشكيل أنماطها المستقلة. يشير هذا إلى إمكانية استخدام هذه العصبونات الهوائية لبناء روبوتات يمكنها النجاة من التلف، بل والقدرة على الانقسام إلى وحدات أصغر وظيفية إذا تمزقت، تمامًا مثل بعض الحيوانات التي يمكنها تجديد أطرافها المفقودة.

قام الباحثون أيضًا بتثبيت أرجل صغيرة على شكل حرف L على الوحدات لمعرفة ما إذا كان بإمكان الروبوت التحرك فعليًا عبر سطح ما. فبينما كانت الوحدات تنتفخ وتفرغ في موجة متحركة، كانت الأرجل تمسك بالأرض عند الانتفاخ وتنزلق عند التفريغ، مما يخلق حركة زحف تشبه دودة الأرض. تحرك الروبوت للأمام بنحو 25 ملم خلال ست دورات، وهي سرعة تحددها المدة التي يستغرقها السائل ليغلي ويبرد. وبينما تعد هذه السرعة بطيئة مقارنة بروبوت ميكانيكي، لاحظ الباحثون أن السرعة هي خاصية للمواد المختارة، وليست بنية النظام نفسه. ومن خلال تغيير السائل أو السخان، يمكن تعديل التوقيت دون تغيير المنطق الأساسي للنظام. إن القدرة على توليد الحركة دون أي مضخات خارجية أو وحدات تحكم إلكترونية تفتح آفاقًا أمام الروبوتات التي يمكنها العمل في أماكن يستحيل فيها حمل معدات ثقيلة، مثل أعماق الأرض أو الفضاء.

يمثل هذا العمل تحولًا في كيفية تصميم الروبوتات اللينة، بالابتعاد عن فكرة الآلة التي يتم التحكم فيها بواسطة كمبيوتر منفصل نحو آلة يكون جسدها هو الكمبيوتر نفسه. فمن خلال دمج منطق الحركة مباشرة في المادة وفي فيزياء المشغل الميكانيكي، أنشأ الباحثون نظامًا يتميز بطبيعته بالنمطية والمتانة. لا يحتاج الروبوت إلى "معرفة" مكانه أو كيف يبدو محيطه؛ فهو ببساطة يتفاعل مع الحرارة والضغط والاتصالات من حوله. وبينما لا تزال هناك تحديات يجب التغلب عليها، مثل العثور على مواد يمكنها تحمل درجات حرارة أعلى للحركة بشكل أسرع، فإن العصبون الهوائي يقدم مخططًا جديدًا للروبوتات التكيفية. إنه يشير إلى مستقبل يمكن فيه للآلات أن تكون مرنة ومكتفية ذاتيًا مثل الكائنات الحية التي استلهمت منها، وقادرة على التنقل في عوالم معقدة من خلال الفيزياء البسيطة والأنيقة للانتفاخ والاشتعال.