Robust Underwater Grasping of Sloped Objects with a Waterproof Passive Adaptive Gripper

تخيل ذراعاً آلياً يمد يده داخل حوض مطبخ ليلتقط كوباً مبللاً وزلقاً. في هواء ورشة عمل جاف، قد تقبض يد ميكانيكية قياسية على المقبض بإحكام، ولكن تحت الماء، تتغير القواعد. يعمل الماء كمزلق، حيث يجرد الأجسام من الاحتكاك الذي يحافظ عادةً على ثباتها. عندما يحاول الروبوت رفع جسم مائل أو غير مستوٍ، مثل كوب مخروطي الشكل أو وعاء ذي حافة منحنية، فإن نقص القدرة على الإمساك يتسبب في تدحرج الجسم أو انزلاقه من اليد. ليس هذا مجرد إزعاج بسيط؛ بل هو عائق جوهري يمنع روبوتات الخدمة من أداء المهام المنزلية اليومية مثل تحميل غسالات الأطباء أو تنظيف الطاولات المبللة. ولكي ينجح آلي في هذه البيئات المنزلية الرطبة، فإنه يحتاج إلى طريقة للإمساك لا تعتمد على الاحتكاك العالي الذي نعتبره أمراً بديهياً على اليابسة.

لقد طور باحثون في جامعة إلينوي حلاً لهذه المشكلة تحديداً: يداً روبوتية مقاومة للماء مصممة للإمساك بالأجسام المنحدرة والزلقة باستقرار مذهل. هذا الجهاز، الذي يسموا بـ "القابض التكيفي السلبي"، لا يستخدم مستشعرات معقدة أو محركات قوية لضبط قبضته باستمرار. بدلاً من ذلك، يعتمد على تصميم ميكانيكي ذكي يسمح لليد بتغيير شكلها مادياً لتناسب الجسم الذي تمسكه. إن جوهر هذا الاختراع هو مزيج من آليتين بسيطتين وفعالتين؛ أولاً، تم تركيب الأصابع على مفصل يسمح لها بالميل والدوران بحرية. ثانياً، تغطى أطراف الأصابع بقطع ناعمة مملوءة بجزيئات دقيقة، تشبه في شكلها تفل القهوة المطحونة، والتي يمكن أن تتغير من الليونة إلى الصلابة اعتماداً على مقدار الضغط الواقع عليها.

أصبحت الحاجة إلى مثل هذا الجهاز واضችة عندما فحص الباحثون العناصر التي نستخدمها يومياً. لقد قاموا بقياس زوايا أدوات المطبخ الشائعة، مثل أكواب القياس، والأكواب، وزجاجات الصلصة، ووجدوا أن العديد منها يمتلك جوانب مائلة. فعندما يلمس إصبع روبوتي صلب وعادي سطحاً مائلاً، فإنه غالباً ما يتصل به عند نقطة واحدة فقط أو خط رفيع. وفي بيئة مائية، تعتبر مساحة الاتصال الصغيرة هذه وصفة للفشل؛ فبمجرد أن يحاول الروبوت رفع الجسم، تقلل المياه من الاحتكاك، ويبدأ الجسم في التدحرج أو الانزلاق جانباً، مما يؤدي إلى سقوط الجسم من يد الروبوت. وقد وجد الباحثون أن مجرد جعل الأصابع أكثر نعومة لم يكن كافياً، لأن الإصبع الناعم الذي لا يستطيع تغيير زاويته الإجمالية لا يزال يقدم اتجاهاً ثابتاً لجسم مائل، مما يترك عزم الدوران المسبب للانزلاق دون معالجة.

ولحل هذه المشكلة، بنى الفريق قابضاً يمكن لأصابعه الدوران. فعندما تنغلق اليد على كوب مائل، يسمح المفصل للإصبع بالدوران حتى يصبح سطحه مسطحاً تماماً مقابل جانب الكوب. هذا التحرك البسيط يحول نقطة اتصال هشة وغير مستقرة إلى سطح تلامس واسع ومستقر. ومن خلال محاذاة الإصبع مع الميل، تلغي اليد القوة الجانبية التي كانت ستدفع الجسم خارج قبضتها. وتحدث هذه المحاذاة الذاتية الشاملة تلقائياً، دون حاجة لحاسوب يخبر المفصل بمكان الحركة؛ فهي استجابة ميكانيكية بحتة لشكل الجسم.

بمجرد أن يقوم الإصبع بالمحاذاة، تبدأ الآلية الثانية في العمل. فالقطع الناعمة الموجودة على أطراف الأصابع مملوءة بجزيئات صغيرة؛ وعندما يضغط القابض على الجسم لأول مرة، تكون هذه القطع ناعمة ومرنة، مما يسمح لها بالتشكل تماماً وفقاً لشكل الكوب أو الوعاء، مما يزيد من مساحة التلامس. ومع زيادة ضغط الروبوت، تُجبر الجزيئات الموجودة داخل القطعة على التكدس حتى تستقر في مكانها، وهي عملية تُعرف باسم "الاصطفاف" (Jamming). هذا التحول يحول القطعة الناعمة إلى هيكل صلب قادر على تحمل الأحمال ويقاوم الانزلاق. كما أضاف الباحثون نسيجاً خاصاً لسطح هذه القطع: وهو عبارة عن سلسلة من الأخاديد. تساعد هذه القنوات في عصر طبقة الماء الرقيقة التي غالباً ما تُحبس بين اليد والجسم، مما يسمح للقطعة بالتلامس المباشر مع السطح واستعادة الاحتكاك.

اختبر الفريق اختراعهم عن طريق سحب أجسام متنوعة من خزان مائي لمعرفة مقدار القوة المطلوبة لجعلها تنزلق. وقارنوا تصميمهم الجديد بالأيدي الصلبة القياسية والأيدي ذات المفاصل الثابتة. وكانت النتائج واضحة؛ فعند الإمساك بجسم مائل تحت الماء، أمسكت القبضة الجديدة بقوة أكبر بكثير من البدائل الصلبة. وفي إحدى مجموعات الاختبارات، أمسكت اليد التكيفية بالأجسام بمتوسط قوة بلغ 9.75 نيوتن، بينما تمكنت نسخة المفصل الثابت من تحقيق 7.71 نيوتن فقط. وكان التحسن أكثر دراماتيكية عند مقارنة القطع المملوءة بالجزيئات بالقطع الصلبة غير التكيفية، حيث أمسكت القطع التي تعمل بآلية الاصطفاف بالأجسام بقوة تقارب ضعف قوة القطع الصلبة، مما أثبت أن القدرة على إحكام القبضة في مكانها كانت حاسمة للاستقرار تحت الماء.

كما كشفت التجارب كيف أثرت الأشكال المختلفة على القبضة. فبالنسبة للأجسام ذات المنحدرات الحادة، كانت القدرة على دوران الإصبع هي العامل الأكثر أهمية، لأنها سمحت لليد بإيجاد زاوية مستقرة. أما بالنسبة للأجسام الأسطوانية المستقيمة، فقد وفر النسيج المحزز للقطع أفضل قبضة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الأخاديد ساعدت في التشابك مع السطح. اختبر الباحثون مجموعة واسعة من العناصر، من الأكواب البلاستيكية والعلب المعدنية إلى الأطبية والأوعية. وفي عرض لقدرات القابض، نجح الروبوت في التقاط ونقل هذه العناصر تحت الماء، حتى عندما كانت طافية أو ذات قوة دفع. وبينما تحركت بعض الأجسام الخفيفة قليلاً بسبب تيارات الماء أو ميلها للطفو، لم يسقط أي منها؛ إذ حافظ القابض على إمساك آمن بكل عنصر، من الكوب البلاستيكي الصغير إلى المقلاة الكبيرة.

يكمن نجاح هذا التصميم في بساطته وقدرته على العمل دون مصادر طاقة خارجية لعملية التكيف نفسها. فاليد لا تحتاج إلى مضخة فراغ أو شبكة معقدة من الأنابيب لتغيير صلابتها؛ إذ تكفي حركة الضغط الناتجة عن المحرك لتحفيز تأثير الاصطفاف. والنظام بأكمله مغلق ليكون مقاوماً للماء، بما في ذلك الكاميرا التي تساعد الروبوت على رؤية ما يمسكه. إن هذا التكامل بين المفصل ذاتي المحاذاة والقطعة متغيرة الصلابة يخلق حلاً قوياً لمشكلة لطالما أعاقت الروبوتات المائية. ومن خلال معالجة كل من زاوية الجسم وطبيعة السطح الزلقة، يقدم القابض مساراً عملياً للمستقبل للروبوتات التي تحتاج للعمل في البيئات المنزلية الرطبة والفوضوية. ويشير هذا العمل إلى أنه لكي تعيش الروبوتات معنا حقاً، يجب أن تكون قادرة على التكيف مع العالم كما هو، وليس فقط كما يبدو في المختبرات الجافة.