في السنوات الأخيرة، وبفضل التقدم في علم المواد، كانت نتائج الأبحاث المتعلقة بالروبوتات اللينة ملحوظة. وبالمقارنة مع الروبوتات الصلبة التقليدية، فإن تصميم الروبوتات اللينة مستوحى من الأنظمة البيولوجية في الطبيعة، مثل الديدان والأخطبوطات والأبراص والضفادع. انتظر. تستخدم هذه المخلوقات مواد لينة ومرنة لإظهار حركة ملحوظة في بيئات معقدة. ومع ذلك، في التطبيقات العملية، تعتمد الروبوتات اللينة على الطاقة الخارجية أو قوة الدفع وترتبط من خلال روابط مادية، مما يؤدي إلى نطاق محدود من الأنشطة. بالإضافة إلى ذلك، أصبح وزن المحركات اللينة التقليدية مثل محركات الشبكة الهوائية (شبكات pneu-nets) أيضًا عاملاً رئيسيًا يقيد التشغيل غير المقيد للروبوتات اللينة.

من أجل حل هذه المشكلة، حقق المحرك الناعم فيبا (بالون الفيلم) الذي طوره فريق البروفيسور ميتشيناو هاشيموتو وزملاؤه في جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم (SUTD) اختراقات جديدة في مجال الروبوتات الناعمة.

في 17 يوليو 2024، تم نشر نتائج البحث في مجلة science robotics تحت عنوان "الزحف والتسلق والجثم والطيران بواسطة روبوتات فيبا الناعمة".

تم تصميم مشغل فيبا سوفت باستخدام سيليكون دراغون سكين 30 وفيلم بوليمر مع انحناء جانبي

يعتمد محرك Fiba Soft على تصميم هيكلي فريد يجمع بين بالون هوائي مطبوع ثلاثي الأبعاد مع فيلم بوليمر ذو انحناء جانبي. تتمثل ميزة هذا التصميم في أنه يمكنه تقليل وزن المحرك بشكل فعال مع الاحتفاظ بخصائصه متعددة الوظائف، وبالتالي تحقيق تشغيل غير مقيد.

بالمقارنة مع مواد المطاط السيليكوني التقليدية، تستخدم محركات فيبا سيليكون Dragon Skin 30، الذي يحتوي على معامل مرونة أعلى (حوالي 593 كيلو باسكال)، والذي يمكن أن يوفر قدرات قيادة أقوى دون إضافة الكثير من الوزن. تعني معامل المرونة العالي أنه تحت نفس الحجم، يمكن لسيليكون Dragon Skin 30 توليد ضغط داخلي أكبر، وبالتالي تعزيز تأثيرات الانحناء والقيادة للمشغل.

مكون رئيسي آخر لمشغل فيبا هو فيلم بوليمر ذو انحناء جانبي. مادة الفيلم هذه ليست خفيفة الوزن فحسب، بل تتمتع أيضًا بمرونة ومرونة جيدة. من خلال تقديم تصميم الانحناء الجانبي، يتم تعزيز الصلابة المحلية للفيلم، مما يتيح الانحناء الاتجاهي عند النفخ والعودة بسرعة إلى شكله الأصلي بعد الانكماش. قال الباحثون إنه من خلال تصميم الانحناء الجانبي، يتم تحسين خصائص الانحناء للفيلم البوليمري بشكل كبير، وبالتالي تحسين الأداء العام وموثوقية المحرك.

من الجدير بالذكر أن مواد الفيلم المسطحة التقليدية عرضة للالتواء والانحناء غير المنتظم عند تعرضها لقوى خارجية. من خلال تقديم تصميم الانحناء الجانبي، يتم تعزيز خصائص انحناء الفيلم اتجاهيًا. عندما يتم نفخ البالون، ينحني الفيلم على طول اتجاه الانحناء المحدد مسبقًا، وبالتالي توليد قوة دافعة مستقرة. لا تعمل خاصية الانحناء الاتجاهي هذه على تحسين دقة التحكم في المحرك فحسب، بل تعمل أيضًا على إطالة عمر خدمته.

يساعد تصميم الانحناء الجانبي أيضًا على تحسين الموثوقية الهيكلية ومتانة المحرك. أثناء عملية الانكماش، يمكن للفيلم العودة بسرعة إلى شكله الأصلي، وتجنب تدهور الأداء والأضرار الهيكلية الناجمة عن التشوه طويل الأمد. بالإضافة إلى ذلك، من خلال تحسين معلمات الانحناء وسمك الفيلم، يمكن تعديل زاوية الانحناء وقوة الدفع للمحرك بشكل أكبر لتلبية احتياجات سيناريوهات التطبيق المختلفة.

من حيث التصميم، يعتمد محرك فيبا على نهج التصميم المعياري، بما في ذلك وحدة ثني فيبا ووحدة شعاع الصلابة المتغيرة فيبا. من خلال التصميم المعياري، يمكن للباحثين إنشاء نموذج أولي للمحرك بسرعة وإجراء تحسين تكراري. يمكن دمج وحدات مختلفة في محركات بأشكال ووظائف مختلفة لتلبية احتياجات سيناريوهات التطبيق المختلفة. لا تعمل هذه القدرة على النمذجة السريعة على تسريع دورة تطوير المنتج فحسب، بل تقلل أيضًا من مخاطر التكلفة.

الهيكل المعياري لمشغل فيبا قابل للتخصيص بدرجة كبيرة أيضًا. من خلال ضبط عدد وترتيب وحجم معلمات الوحدات، يمكن للباحثين تخصيص المحرك للتكيف مع البيئات والمهام المختلفة. على سبيل المثال، في روبوت التسلق، يمكن تحسين قدرة التسلق واستقرار الروبوت عن طريق زيادة عدد وتخطيط وحدات الإمساك ووحدات الانحناء.

لتحقيق تشغيل غير مقيد، يدمج مشغل فيبا أيضًا مكونات إلكترونية مثل المضخات الهوائية والصمامات والبطاريات ولوحات التحكم. عند اختيار المكونات الإلكترونية، يركز الباحثون على خفتها وكفاءتها العالية. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استخدام المضخات والصمامات الهوائية الدقيقة إلى تقليل الوزن الإجمالي للنظام، ويمكن أن يؤدي استخدام البطاريات ولوحات التحكم عالية الأداء إلى تحسين كفاءة الطاقة واستقرار النظام. تمكن المكونات الإلكترونية خفيفة الوزن مشغل فيبا من العمل بثبات لفترة طويلة في بيئة غير مقيدة.

من حيث التكامل، يعمل الباحثون على تقليل تداخل الإشارة وفقدان الطاقة من خلال تحسين تخطيط وتوصيل المكونات الإلكترونية، وتحسين موثوقية النظام وسلامته من خلال إضافة وظائف التصميم وتشخيص الأخطاء الزائدة.

▍مناقشة أربعة أشكال من روبوتات فيبا الناعمة وسيناريوهات الهبوط

ولإثبات أداء ومرونة محركات فيبا، نجح فريق البحث في إظهار أربعة أوضاع حركة حيوية غير مقيدة، وهي الزحف المستوحى من السلاحف، والتسلق المستوحى من الديدان، والجثم المستوحى من الخفافيش، والطيران المستوحى من الخنافس.

يستخدم الروبوت الزاحف المستوحى من السلحفاة أربع وحدات انحناء من الألياف الزجاجية كـ "زعانف" لمحاكاة الأطراف الأمامية للسلحفاة لدفع الروبوت إلى الأمام من خلال محاكاة حركة السلحفاة على الأرض. يتم دمج هذه الوحدات مع بالونات هوائية مطبوعة ثلاثية الأبعاد من خلال أفلام بوليمر منحنية عرضيًا لتحقيق حركات انحناء خفيفة الوزن وفعالة. تم تجهيز الروبوت أيضًا بوحدة محرك رفع لضبط ارتفاع جسم الطائرة عند الضرورة للتكيف مع ظروف التضاريس المختلفة.

من حيث سيناريوهات التطبيق، بعد الكوارث الطبيعية مثل الزلازل والتسونامي، غالبًا ما تكون هناك الكثير من الفجوات الضيقة في الأنقاض، والتي يصعب على الروبوتات الصلبة التقليدية دخولها. ومع ذلك، يمكن لهذا الروبوت الزاحف المرور بسهولة عبر هذه الفجوات، وحمل المعدات مثل أجهزة الكشف عن الحياة، والبحث عن الأشخاص المحاصرين، ونقل الوضع في الموقع إلى رجال الإنقاذ في الوقت الفعلي من خلال الاتصالات اللاسلكية، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة الإنقاذ.

يستخدم روبوت التسلق المستوحى من دودة القياس وحدة ثني فيبا ووحدة الإمساك لتحقيق التسلق الرأسي من خلال محاكاة حركة الزحف لدودة القياس. يتم لف وحدة الإمساك بإحكام حول سطح التسلق من خلال بالون سيليكون منفوخ لتوفير الدعم الكافي. في الوقت نفسه، تدفع وحدة ثني فيبا الروبوت للتحرك على طول سطح التسلق لتحقيق تسلق مستقر.

في المجال الصناعي، يمكن استخدام روبوت التسلق هذا لفحص وصيانة خطوط الأنابيب الرأسية والجسور والجدران الخارجية للمباني الشاهقة. تم تجهيز الروبوت بكاميرات عالية الدقة وأجهزة تصوير حراري بالأشعة تحت الحمراء ومعدات أخرى لإجراء عمليات تفتيش مفصلة لسطح الهيكل، والكشف الفوري عن مخاطر السلامة المحتملة، وتقليل مخاطر وتكاليف عمليات التفتيش اليدوية. يعمل روبوت التسلق هذا أيضًا بشكل جيد في فحص البنية التحتية مثل خطوط الكهرباء وأبراج الاتصالات. يمكنه الارتفاع بسرعة على طول أعمدة المرافق أو أبراج الاتصالات لفحص عوازل الخطوط وموصلات جسم البرج وما إلى ذلك، مما يحسن كفاءة التفتيش ودقته.

يستخدم روبوت الوقوف المستوحى من الخفاش وحدات FIBA ​​لبناء أداة إمساك خفيفة الوزن بأربعة أصابع تحاكي الطريقة التي تقف بها الخفافيش رأسًا على عقب على الفروع. يولد الهيكل الهوائي داخل أداة الإمساك قوة إمساك قوية بعد التضخم، مما يسمح للروبوت بالوقوف بثبات على الدعامات مثل الفروع والأعمدة.

من حيث التطبيق، فإن تركيب هذا الروبوت الجاثم على طائرة بدون طيار يمكن أن يطيل بشكل كبير من وقت طيران الطائرة بدون طيار. أثناء المهمة، يمكن للطائرة بدون طيار أن تستقر على دعامة لتوفير الطاقة والإقلاع مرة أخرى عندما تستمر المهمة، وبالتالي تقليل تكاليف الطاقة وتوسيع مجال التطبيق. في العمليات الميدانية مثل الاستكشاف الجيولوجي ومسوحات الغابات، يمكن استخدام الروبوت الجاثم كمنصة دعم مؤقتة. بعد الانتهاء من المهمة، يمكن للطائرة بدون طيار أن تستقر في مكان قريب للشحن أو انتظار المزيد من التعليمات، مما يحسن الكفاءة التشغيلية والسلامة.

يستخدم الروبوت الطائر المستوحى من الخنفساء وحدات شعاع فيبا متغيرة الصلابة كمكونات هيكلية رئيسية للجناح. تُولّد هذه الوحدات صلابةً ومتانةً كافيتين لدعم الطيران عند نفخها، ويمكن طيّها ولفّها بسهولة في حالتها غير المنتفخة لسهولة النقل والتخزين. كما زُوّد الروبوت بجهاز دفع ونظام تحكم لتحقيق طيران ذاتي وتعديل الوضعية. في حالات الطوارئ، كالكوارث الطبيعية، يستطيع هذا الروبوت الطائر الاستجابة بسرعة ودقة لتوصيل الإمدادات العاجلة، كالغذاء والدواء، إلى منطقة الكارثة. يسمح تصميم جناحه القابل للطي للروبوت باحتلال مساحة صغيرة أثناء النقل، مما يُسهّل النشر على نطاق واسع؛ بينما تضمن قدرته على الطيران الذاتي دقة وسرعة توصيل المواد. في مجال الرصد البيئي، يستطيع الروبوت الطائر حمل مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار والمعدات لإجراء رصد شامل وجمع بيانات جودة الهواء والمياه، وغيرها. بفضل مرونة طيرانه ونطاق رصده الواسع، يُمكّنه الروبوت من تغطية مساحات واسعة بسرعة وتوفير بيانات دقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدامه أيضًا في المجال الزراعي لمراقبة الآفات والأمراض وتقييم حالة نمو المحاصيل.

▍الخاتمة والمستقبل

يمثل ظهور محركات فيبا سوفت تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا الروبوتات الناعمة. من خلال اختيار المواد خفيفة الوزن وتطبيق التصميم المعياري، يتميز محرك فيبا بخصائص خفيفة الوزن ومتعددة الوظائف. لا يحل هذا التصميم مشكلة وزن الروبوتات الناعمة التقليدية فحسب، بل يتمتع أيضًا بتعميم عالٍ للغاية في السيناريوهات العملية. في المستقبل، سيواصل الباحثون تحسين التصميم والحلول التقنية لمشغل فيبا لتحسين أدائه وموثوقيته. بالإضافة إلى ذلك، مع تطوير التحكم الذكي وتكنولوجيا الملاحة المستقلة، من المتوقع أن يعمل روبوت فيبا سوفت بشكل أكثر ذكاءً في المستقبل.