Toward 3D Printable Non-Planar Electroadhesive Structures for Active Anchoring

تخيل عالماً يمكن فيه للروبوتات تسلق الجدران أو الإمساك بالأجسام الزلقة ليس باستخدام مخالب ميكانيكية تضغط وتطبق، بل ببساطة عن طريق تشغيل مفتاح. هذا هو الوعد الذي تقدمه تقنية الالتصاق الكهربائي (electroadhesion)، وهي تقنية تستخدم الكهرباء لخلق قوة لزجة بين سطحين. في أبسط صورها، تعمل هذه التقنية مثل مغناطيس قوي وغير مرئي لا يظهر إلا عند تطبيق جهد كهربائي. وخلافاً للمقابض التقليدية التي تحتاج إلى أجزاء متحركة أو طاقة مستمرة للإمساك، يمكن لهذه الوسادات الكهربائية أن تمسك وتترك الأشياء فوراً، مما يجعلها مثالية للمهام الدقيقة أو للتحرك عبر البيئات المعقدة. ومع ذلك، ظلت هذه التقنية لسنوات عالقة في عالم مسطح؛ إذ تُصنع الوسادات كشرائح رقيقة ومسطحة، تشبه الملصق تماماً، والتي يتعين على المهندسين بعد ذلك ثنيها أو لفها حول الأجسام المنحنية مثل الأنابيب أو أذرع الروبوتات. هذه العملية تتسم بالارتباك وعدم الدقة، فهي تجبر التكنولوجيا على التكيف مع شكل الجسم بدلاً من ترك شكل الجسم يوجه التصميم.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة "تواينتي" في هولندا خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال طباعة الوسادات اللاصقة مباشرة على الأشكال المنحنية. فبدلاً من ثني ورقة مسطحة، استخدموا طابعة ثلاثية الأبعاد متخصصة لبناء الجهاز بأكمله، بما في ذلك المكونات الكهربائية الداخلية، في خطوة واحدة. وقد صنعوا نسختين لاختبار فكرتهم: وسادة مسطحة قياسية لتكون بمثابة مرجع أساسي، ووسادة أسطوانية تحاكي سطحاً منحنياً. وكان الابتكار الرئيسي هو طباعة الأقطاب الموصلة — وهي الأجزاء التي تحمل الكهرباء — مباشرة داخل الجسم البلاستيكي للوسادة، بدلاً من إلحاقها بها لاحقاً. ومن خلال استخدام طابعة متعددة المواد، استطاعوا وضع بلاستيك عازل وبلاستيك موصل في نفس الحركة، مما خلق جسماً واحداً صلباً حيث تتدفق الكهرباء تماماً حيث تشتد الحاجة إليها، حتى على المنحنيات.

اختبر الباحثون هذه الوسادات المطبوعة عن طريق الضغط بها على سطح ما وتطبيق جهد كهربائي عالٍ لمعرفة مقدار قوة التثبيت الإضافية التي يمكنهم توليدها. ووجدوا أن كل من الوسائد المسطحة والمنحنية عملت كما هو مخطط لها. فعند تشغيل الجهد الكهربائي، زادت الوسادات من قوة جذبها للسطح، مما خلق زيادة ملموسة في قوة التثبيت. وقد ولدت الوسادة المسطحة، التي كانت بمثابة مجموعة التحكم، قوة تثبيت تتراوح بين 0.11 إلى 0.13 نيوتن عندما وصل الجهد إلى 3000 فولت. أما الوسادة الأسطوانية، التي مثلت الشكل غير المسطح الأكثر صعوبة، فقد أدت أداءً أفضل في ظروف معينة، حيث وصلت قوة التثبيت فيها إلى حوالي 0.16 نيوتن عند نفس الجهد، بشرط ضغطها على السطح بضغط أولي معتدل. وتؤكد هذه النتيجة أن النمط الكهربائي يمكن طباعته بنجاح على جسم منحني ومع ذلك يعمل بفعالية.

ومع ذلك، كشفت التجربة أيضاً أن الشكل يلعب دوراً مهماً. فبينما كان أداء الوسادة المسطحة مستقراً بغض النظر عن مدى قوة ضغطها، كانت الوسادة المنحنية أكثر حساسية لمقدار الضغط المطبق. فقد زادت قوة التثبيت مع زيادة الضغط حتى نقطة معينة، ولكنها بدأت تنخفض إذا أصبح الضغط مرتفعاً جداً. ويرى الباحثون أن هذا يحدث لأن السطح المنحني لا يلامس الجدار بشكل متساوٍ تماماً؛ فعند الضغط بقوة شديدة، قد يتشوه المنحنى قليلاً أو يخلق فجوات صغيرة في التلامس، مما يضعف الاتصال الكهربائي. وهذه الحساسية هي نتيجة طبيعية لمحاولة جعل جسم منحني يلتصق بجسم مسطح، وهي تسلط الضوء على أن التصاميم المستقبلية ستحتاج إلى مراعاة كيفية تطابق السطح مع الجسم الذي يمسك به.

كما لاحظت الدراسة سرعة تشغيل وإيقاف الوسادات. فعند تطبيق الجهد الكهربائي، ارتفوت قوة القبضة بسرعة، ولكن عندما انقطعت الطاقة، استغرقت الوسادات وقتاً أطول للتحرر من قبضتها. ومن المرجح أن هذا التأخير يعود إلى الطريقة التي تظل بها الشحنات الكهربائية عالقة في المادة البلاستيكية وعند سطح الوسادة، وهي ظاهرة شائعة في هذا النوع من المواد. وهذا يعني أن هذه التكنولوجيا مناسبة حالياً للإمساك بالأشياء في مكانها لفترة من الوقت، بدلاً من عمليات الإمساك والتحرير السريعة وعالية السرعة. ورغم ذلك، فإن القدرة على طباعة الأقطب مباشرة داخل هيكل منحني تعد تقدماً كبيراً؛ فهي تنقل المجال بعيداً عن فكرة كون الوسادة اللاصقة مكوناً منفصلاً يجب لصقه أو لفه حول الروبوت، نحو فكرة كون جزء الروبوت لزجاً بطبيعته وتصميمه. ويخطط الباحثون لمواصلة تحسين العملية، بهدف طباعة الطبقات العازلة مباشرة في الهيكل أيضاً، مما سيسمح في النهاية بإنشاء جهاز واحد متكامل وسلس القدرة على القبض النشط على أي شكل.