Hybrid Robotic Meta-gripper for Tomato Harvesting: Analysis of Auxetic Structures with Lattice Orientation Variations

في الإيقاع الهادئ لإنتاج الغذاء العالمي، لا يزال هناك تحدٍ مستمر: كيف يمكن حصاد المحاصيل الرقيقة دون التسبب في كدماتها. وتعد الطماطم، بجلودها الرقيقة وقلبها الناعم، عرضة للتضرر بشكل خاص. فالحاصدات الميكانيكية التقليدية تعتمد غالباً على مخالب صلبة أو شفط بسيط، وهي أدوات تجد صعوبة في التكيف مع الأشكال غير المنتظمة ودرجات النضج المتفاوتة لكل ثمرة على حدة. يؤدي هذا إلى هدر كبير، حيث يتم التخلص من المنتجات التالفة قبل أن تصل إلى المستهلك. ولا يكمن الحل في بناء آلات أقوى، بل في تصميم آلات أكثر نعومة وذكاءً. ويتجه المهندسون بشكل متزايد نحو فئة من المواد تُعرف بالمواد الخارقة (metamaterials) — وهي هياكل هندسية مصممة على المستوى المجهري لتتصرف بطرق لا تستطيع المواد الطبيعية القيام بها. ومن بين هذه المواد، تبرز المواد "الأوكسيتيكية" (auxetic) لأنها تمتلك خاصية فريدة: فعند تمددها، تصبح أكثر سمكاً بدلاً من أن تصبح أرق، وعند ضغطها، تتمدد نحو الخارج. هذا السلوك المنافي للبديهة يسمح لها بالتكيف مع الأشكال المعقدة بنعومة فائقة. ومن خلال دمج هذه المواد في مقابض روبوتية، يأمل الباحثون في إنشاء آلات يمكنها احتضان الثمرة كما تفعل اليد البشرية، مما يضمن إحكام قبضتها مع عدم تسليط أي ضغط تقريباً على سطحها.

لقد ذهب فريق من الباحثين من اليابان وهولندا والهند بهذا المفهوم خطوة أبعد عبر تطوير يد روبوتية متخصصة مصممة خصيصاً لحصاد الطماطم. إن ابتكارهم عبارة عن جهاز هجين، يجمع بين قوة إطار مطبوع ثلاثي الأبعاد وطبيعة الهيكل الشبكي الداخلي الناعم والمتكيف. تخيل يداً ذات ستة أصابع، حيث بُني كل إصبع مثل وصلة صلبة، ولكن في داخله، يوجد نمط ناعم يشبه الإسفنج مصنوع من بلاستيك مرن. هذا النمط الداخلي ليس عشوائياً؛ بل هو تصميم هندسي متكرر ودقيق يُعرف باسم "قرص العسل المرتد" (re-entrant honeycomb). عندما يغلق الروبوت أصابعه حول حبة طماطم، ينضغط هذا الجزء الداخلي الناعم ويتغير شكله، ليحتضن تضاريس الثمرة بشكل مثالي. كان الهدف هو إيجاد التوجيه الدقيق لهذا النمط الداخلي الذي يسمح للمقبض بالإمساك بالطماطم بأكثر طريقة آمنة مع إحداث أقل قدر من الضرر. ولاختبار ذلك، صنع الفريق أربعة نسخ مختلفة من الأصابع الناعمة للمقبض، كل منها يحتوي على نمط قرص العسل الداخلي مائلاً بزاوية مختلفة: صفر، وثلاثين، وخمسة وأربعين، وستين درجة بالنسبة للمحور الرأسي.

أخضع الباحثون هذه التصاميم الأربعة لسلسلة صارمة من الاختبارات لمعرفة كيفية سلوكها في ظروف العالم الحقيقي. وضعوا حبة طماطم داخل المقبض وأغلقوا الأصابع ببطء، مستخدمين كاميرات عالية السرعة ومستشعرات متخصصة لتتبع كل حركة. التقطت الكاميرات كيفية تمدد المادة الناعمة وانحنائها، بينما قامت المستشعات بقياس القوة الدقيقة المطبقة على قشرة الثمرة. كما قاموا بحساب مقدار الطاقة التي يحتاجها المحرك لإغلاق المقبض لكل تصميم. وكشفت النتائج أن زاوية النمط الداخلي أحدثت فرقاً جذرياً في الأداء. فقد أظهر التصميم الذي يميل فيه النمط بزاوية خمسة وأربعين درجة أكبر قدر من التمدد والحركة، حيث تشوه بشكل كبير ليلتف حول الثمرة. ومع ذلك، جاءت هذه المرونة العالية مع مقايضة في مدى سلاسة ضغطها على سطح الطمرة. وفي المقابل، ثبت أن التصميم الذي يميل فيه النمط بزاوية صفر درجة، أو بشكل رأسي مستقيم، كان الأكثر لطفاً. فقد أوجد تلامساً أكثر سلاسة مع الثمرة، حيث وزع الضغط بالتساوي عبر القشرة بدلاً من خلق نقاط ضغط حادة وعالية قد تسبب الكدمات.

وأكد تحليل إضافي للقوى المعنية أن تصميم الدرجة صفر قدم أفضل توازن بين قوة الإمساك والسلامة. فقد حافظ على قوة قبض ثابتة، متجنباً التقلبات العشوائية في الضغط التي يمكن أن تضر بالمحاصيل الرقيقة. وبينما كان إصدار الخمسة وأربعين درجة ممتازاً في الالتفاف حول الثمرة، كان إصدار الدرجة صفر متفوقاً في ضمان بقاء القبضة موحدة وآمنة. كما نظر الفريق أيضاً في مقدار الجهد الذي يتعين على محرك الروبوت بذله؛ ووجدوا أن تصميم الستين درجة يتطلب أقل قدر من طاقة المحرك للإمساك بالثمرة، مما يشير إلى أنه قد يكون الخيار الأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. ومع ذلك، بالنسبة للهدف الأساسي المتمثل في الحصاد دون التسبب في كدمات، برز التكوين ذو الصفر درجة كالفائز الواضح. فقد وفر إمساكاً آمناً بمتوسط قوة تلامس قدرها 8.51 نيوتن، وهو مستوى قوي بما يكفي لإبقاء الثمرة في مكانها ولكن لطيف بما يكفي للحفاظ على سلامتها.

لم يتوقف البحث عند الاختبار الفيزيائي فحسب؛ بل بنى الباحثون أيضاً نماذج حاسوبية مفصلة لمحاكاة كيفية سلوك هذه الهياكل تحت ظروف مختلفة. وقد عكست هذه المحاكاة التجارب الفيزيائية، مما عزز الاستنتاج بأن توجيه الشبكة الداخلية هو عامل حاسم في نجاح المقبض. وأظهرت النماذج الحاسوبية أنه بينما كانت بعض التصاميم أفضل في "تطويق" الثمرة، كانت تصاميم أخرى أفضل في الحفاظ على سطح سلس ومستمر ضدها. ساعد هذا المنظور المزدوج الفريق على فهم أنه لا يوجد تصميم واحد مثالي لكل حالة؛ بل يعتمد الخيار الأفضل على ما إذا كانت الأولوية هي أقصى قوة إمساك أم أقصى درجات اللطف. وبالنسبة لمهمة حصاد الطماطم الرقيقة تحديداً، حيث تكون مخاطر الكدمات عالية، تشير الأدلة إلى أن التوجه المستقيم بزاوية صفر درجة هو الحل الأكثر فعالية.

يسلط هذا البحث الضوء على تحول كبير في كيفية مقاربتنا للأتمتة الزراعية. فبدلاً من محاولة إجبار الآلات الصلبة على التكيف مع الطبيعة، أثبت الفريق أنه من خلال الهندسة الدقيقة للهيكل الداخلي لجلد الروبوت، يمكننا إنشاء أدوات ملائمة بطبيعتها للمهمة. وتشير النتائج إلى أنه بمجرد تدوير النمط الداخلي لمقبض ناعم، يمكن للمهندسين ضبط أدائه ليتناسب مع الاحتياجات المحددة لمحاصيل مختلفة. وبينما ركزت الدراسة على الطماطم، فإن المبادئ تنطبق بشكل عام على أي فاكهة أو خضروات رقيقة تتطلب مناولة دقيقة. لا يدعي هذا العمل أنه حل مشكلة الحصاد الروبوتي بأكملها، ولكنه يقدم مساراً واضحاً مدعوماً بالبيانات للمضي قدماً. ومن خلال إثبات أن توجيه نمط هندسي بسيط يمكن أن يحدد سلامة وكفاءة الحصاد، قدم الباحثون مخططاً جديداً للجيل القادم من الروبوتات الزراعية — آلات ليست قوية فحسب، بل رحيمة أيضاً.