A robust single-sensing-element tactile sensor for concurrent pressure and tackiness detection with real-time signal decoupling capability

تخيل عالماً تستطيع فيه الروبوتات القيام بأكثر من مجرد رفع الصناديق الثقيلة أو التحرك عبر غرفة؛ تخيل امتلاكها حاسة لمس تضاهي حاستنا. لعقود من الزمن، عمل العلماء على منح الآلات القدرة على الشعور بالضغط، ودرجة الحرارة، وحتى ملمس السطح. هذا المجال، المعروف باسم الاستشعار اللمسي، هو الأساس لإنشاء "جلد إلكتروني" يسمح للروبوتات بالتفاعل بأمان وذكاء مع العالم البشري. وبينما تستطيع المستشعرات الحالية إخبار الروبوت بمدى قوة ضغطه، إلا أنها تعاني مع إحساس أكثر دقة وتعقيداً: اللزوجة. إن اكتشاف مدى لزوجة سطح ما يتطلب من الروبوت ليس فقط الضغط على جسم ما، بل أيضاً الشعور بالمقاومة المحددة أثناء سحبه بعيداً. وهذه مهمة صعبة لأن القوى المعنية غالباً ما تكون صغيرة، والمستشعرات المستخدمة لقياسها يمكن أن ترتبك، حيث تخلط بين الدفع والسحب أو تفقد قدرتها على القياس بدقة بعد الاستخدام المتكرر. وبدون هذه القدرة، قد يسقط الروبوت جسماً رقيقاً ولزجاً، أو قد يفشل في ملاحظة أن سطحاً ما قد تلوث بمادة لزجة.

لقد طور فريق من الباحثين الآن نوعاً جديداً من المستشعرات يحل هذه المشكلات من خلال محاكاة الطريقة التي يتصرف بها الجلد البشري. فبدلاً من استخدام طبقات معقدة من الإلكترونيات التي يمكن أن تنفصل أو تنكسر عند السحب، ابتكروا جهازاً واحداً متيناً يمكنه الشعور بكل من قوى الضغط والسحب في نفس النقطة تماماً. بُني الجهاز حول هيكل ناعم ومرن مصنوع من مادة بلاستيكية مرنة. وفي داخل هذا الهيكل، وضعوا مغناطيساً صغيراً ومستشعراً يمكنه اكتشاف المجالات المغناطيسية. ويكمن سر تصميمه في كيفية حركة السطح؛ فعندما يضغط الروبوت لأسفل على جسم ما، ينبعج السطح الناعم للمستشعر للداخل، مما يقرب المغناطيس من المستشعر الموجود بالداخل. وعندما يحاول الروبوت الابتعاد عن سطح لزج، ينتفخ السطح للخارج، مما يدفع المغناطيس بعيداً. وتخلق هاتان الحركتان المتعاكستان تغيرات متميزة في الإشارة المغناطيسية، مما يسمح للجهاز بالتمييز فوراً بين الدفع والسحب دون أي ارتباك.

اختبر الباحثون هذا المستشعر عن طريق الضغط به على أسطح لزجة مختلفة، مثل أنواع مختلفة من الأشرطة اللاصقة، ثم سحبه بعيداً. ووجدوا أن الجهاز يمكنه قياس القوة المطلوبة للضغط بدقة، والتي تراوحت من الصفر إلى كمية كبيرة، والقوة المطلوبة للسحب بعيداً، والتي وصلت إلى مستوى عالٍ من المقاومة. والأهم من ذلك، حافظ المستشعر على دقته حتى بعد الضغط والسحب آلاف المرات، وظل مستقراً حتى عند ضربه بمطرقة. ويمثل هذا المتانة تحسناً كبيراً عن التصميمات السابقة، التي كانت تعاني غالباً من انفصال الطبقات الداخلية أو انحراف الإشارات بمرور الوقت. ومن خلال استخدام عنصر استشعار واحد للقيام بعمل عنصرين، ألغى الباحثون مشكلة تداخل الإشارات، وهي مشكلة شائعة في المستشعرات القديمة التي حاولت قياس قوى متعددة في آن واحد.

ولضمان كفاءة المستشعر قدر الإمكان، استخدم الفريق محاكاة حاسوبية لاختبار أشكال وأحجام مختلفة قبل بناء النسخة النهائية. واكتشفوا أن سمك المغناطيس الداخلي وارتفاع الحلقة البلاستيكية المحيطة يؤثران بشكل كبير على حساسية الجهاز. ومن خلال الضبط الدقيق لهذه الأبعاد وإضافة مادة تشبه الإسفنج الناعم في الداخل للمساعدة في تحمل ضغوط أعلى، صنعوا مستشعراً يمكنه التعامل مع نطاق واسع من القوى. وقد استجاب الجهاز النهائي بسرعة، حيث سجل التغييرات في أقل من ثانية، وكان بإمكانه التمييز بين مستويات اللزوجة المختلفة بناءً على مدة الضغط على السطح وسرعة السحب. وتسمح هذه القدرة للروبوت ليس فقط باكتشاف أن شيئاً ما لزج، بل أيضاً بتقدير مدى لزوجته بالضبط، وهو أمر ضروري لمهام مثل التعامل مع الأجسام خفيفة الوزن، أو فحص ما إذا كان المطاط قد تقادم، أو تحديد المواد الجديدة.

تتجاوز تداعيات هذا العمل مجرد الاختبارات المختبرية البسيطة. فقد أظهر الباحثون أن يد روبوت مجهزة بهذا المستشعر يمكنها بنجاح تقييم لزوجة أسطح مختلفة واكتشاف الخصائص اللزجة أثناء التعامل مع الأجسام. وهذا يشير إلى أن الروبوتات المستقبلية يمكن أن تكون أكثر قدرة في البيئات الديناميكية والواقعية حيث لا تكون الأسطح دائماً نظيفة أو متوقعة. على سبيل المثال، يمكن للروبوت تحديد ما إذا كان سطح ما قد تلوث بمادة لزجة أو تقييم حالة المواد اللاصقة دون إتلافها. ومن خلال توفير طريقة موثوقة لقياس كل من الضغط وقوة السحب في آن واحد، يمثل هذا المستشعر خطوة مهمة للأمام في منح الآلات الإدراك اللمسي الدقيق اللازم للتنقل في عالم معقد. إن القدرة على الشعور باللزوجة في الوقت الفعلي تفتح الباب أمام تفاعلات أكثر مهارة وأماناً بين البشر والروبوتات، مما يقربنا من مستقبل يمكن للآلات فيه أن تفهم حقاً العالم المادي الذي تسكنه.