ContactlessCaging: Collective Contactless Transport via Distributed Acoustic Caging in a Physical Robot Swarm

في عالم الروبوتات، غالبًا ما يكون تحريك الأشياء معًا عملية فوضوية. فعندما تعمل مجموعات من الروبوتات الصغيرة كفريق واحد لحمل جسم ما، يتعين عليها عادةً لمسه؛ فقد تدفعه من الخلف، أو تسحبه من الأمام، أو تحيط به بأجسادها لمنعه من التدحرج بعيدًا. هذا التلامس الجسدي يعمل بشكل جيد مع الأشياء المتينة، ولكنه خيار سيئ للأشياء الهشة، أو سهلة التلوث، أو الخفيفة جدًا لدرجة أن لمسة الروبوت قد تسحقها. لعقود من الزمن، بحث العلماء عن طريقة لتحريك الأشياء دون لمسها أبدًا، آملين في الجمع بين روح العمل الجماعي لسرب من الروبوتات ولطف القوة غير التلامسية. وقد كان الصوت مسارًا واعدًا لهذا الغرض؛ فتمامًا كما يمكن لرياح قوية أن تثبت ورقة شجر في مكانها، يمكن لموجات صوتية عالية التردد أن تخلق جيوبًا غير مرئية من الضغط في الهواء تحجز وتثبت الجزيئات الصغيرة. وبينما أظهر الباحثون أن جهازًا واحدًا ثابتًا يمكنه القيام بذلك، كان التحدي يكمن في جعل مجموعة من الروبوتات المتحركة تعمل معًا لإنشاء مثل هذا الفخ وحمله.

لقد أثبت فريق من الباحثين الآن أن سربًا من الروبوتات يمكنه بالفعل القيام بذلك، من خلال إنشاء نظام أطلقوا عليه اسم "ContactlessCaging" (التقفص بلا تلامس). وبدلاً من استخدام الأذرع الميكانيكية أو المقابض، قاموا ببناء فريق من أربعة روبوتات صغيرة متنقلة تحيط بجسم صغير وتستخدم الصوت لإبقائه معلقًا في الهواء أثناء نقل الموقع. تعتمد هذه الروبوتات على منصة تعليمية شائعة، ولكن كل روبوت منها يحمل لوحة خاصة مليئة بستة وستين مكبر صوت صغير مرتبة في شبكة. تصدر هذه المكبرات موجات فوق صوتية، وهي ترددات عالية جدًا بحيث لا تستطيع الأذن البشرية سماعها. وعندما تقف الروبوتات في تشكيل محدد، تلتقي الموجات الصوتية من جميع الروبوتات في المركز وتتحد لتخلق نقطة مركزة من الضغط العالي. تعمل هذه النقطة كقفص غير مرئي، يحجز جزيئًا خفيف الوزن في المنتصف. ومع تحرك الروبوتات، يتحرك القفص الصوتي معها، حاملاً الجسم دون أي تلامس جسدي.

اختبر الباحثون هذا النظام في بيئة مختبرية باستخدام جزيء خفيف الوزن مصنوع من البوليستيرين الممدد، وهي مادة تشبه الفوم المستخدم في حشوات التغليف. كان قطر الجزيء 2 مليمتر فقط. ولجعل الصوت يعمل، كان على الروبوتات الأربعة أن تكون متزامنة بدقة؛ فإذا وصلت الموجات الصوتية من الروبوتات المختلفة بفارق ولو جزء ضئيل من الثانية عن بعضها البعض، سينكسر الفخ ويسقط الجسم. ولحل هذه المشكلة، صمم الفريق نظامًا يعمل فيه روبوت واحد كقائد ويرسل إشارة توقيت إلى الروبوتات الأخرى باستخدام الأشعة تحت الحمراء، تمامًا كما يتواصل جهاز التحكم عن بعد مع التلفاز. تضمن هذه الإشارة أن جميع مكبرات الصوت تعمل في اللحظة ذاتها تمامًا. وقد قاس الباحثون فرق التوقيت بين الروبوتات ووجدوا أنه ضئيل للغاية، حيث انحرف بمقدار 1.9 ميكروثانية تقريبًا فقط، وهو ما يكفي لإبقاء الموجات الصوتية متوافقة والفخ مستقرًا.

وعندما كانت الروبوتات تتحرك، كانت تحافظ على تشكيل متقارب، حيث يقود روبوت واحد الثلاثة الآخرين لضمان بقاء شكل المجموعة متماسكًا. نجح النظام في نقل الجزيء عبر الغرفة بسرعة ثابتة بلغت 5 سنتيمترات في الثانية. وعند هذه السرعة، ظل الجسم محتجزًا بأمان في مركز القفص الصوتي، مع ظهور تذبذب طفيف جدًا فقط. وقاس الباحثون قوة الضغط الصوتي في مركز التشكيل ووجدوا أن الجهد المشترك للروبوتات الأربعة خلق مجال ضغط أقوى بمرتين من الذي يمكن أن ينتجه روبوت واحد بمفرده. وقد أكد ذلك أن النهج الموزع لم يكن مجرد فكرة نظرية بل واقع وظيفي. كما لاحظ الفريق أن النظام واجه صعوبة عند السرعات الأسرع أو الأبطأ بكثير من 5 سنتيمترات في الثانية، مما يشير إلى أن الإعداد الحالي حساس لكيفية تحرك الروبوتات بالنسبة للمجال الصوتي.

يمثل هذا العمل خطوة مهمة للأمام في كيفية تفاعل أسراب الروبوتات مع بيئتها. فمن خلال إثبات أن الروبوتات المتنقلة يمكنها التعاون لتوليد ونقل فخ صوتي مشترك، أظهر الباحثون طريقة جديدة للتعامل مع الأشياء الدقيقة دون لمسها. يعتمد النظام على مزيج دقيق من الحركة والصوت، حيث يجب أن تبقى الروبوتات في الأماكن الصحيحة وأن تطلق مكبرات الصوت الخاصة بها في الأوقات الصحيحة في آن واحد. وبينما يعمل النموذج الأولي الحالي بشكل جيد في بيئة مختبرية محكومة مع جسم خفيف جدًا، فإنه يشير نحو مستقبل يمكن فيه لفرق الروبوتات التعامل مع المواد الهشة، أو العينات البيولوجية الحساسة، أو المواد الملوثة دون خطر التلف أو التلوث. ولا تدعي الدراسة أنها حلت كل المشكلات، مشيرة إلى أن الأجسام الأثقل أو السرعات الأكبر تظل تحديات قائمة، لكنها ترسخ بقوة أن التقفص الصوتي الموزع هو وسيلة قابلة للتطبيق للنقل الجماعي بلا تلامس.