دراسات

ابتكار روبوت ناعم يجتاز المتاهات بمهارة باستخدام تقنيات الطي الورقي القديمة وعلوم المواد الحديثة

نجح مهندسون في جامعتي برنستون وولاية كارولاينا الشمالية في دمج تقنيات الطي الورقي القديمة مع علوم المواد الحديثة، ليبتكروا روبوتًا ناعمًا يمكنه الانحناء والالتفاف عبر المتاهات بسهولة.

تواجه الروبوتات الناعمة تحديات في التوجيه لأن المعدات المستخدمة في التوجيه تزيد من صلابة الروبوت وتقلل من مرونته. ولكن التصميم الجديد يتغلب على هذه المشاكل من خلال بناء نظام التوجيه مباشرة داخل جسم الروبوت، كما أوضح تيو تشاو، الباحث بعد الدكتوراه في جامعة برنستون.

في مقال نُشر في 6 مايو في مجلة PNAS، وصف الباحثون كيف أنشأوا الروبوت من مقاطع أسطوانية معيارية. يمكن لهذه المقاطع أن تعمل بشكل مستقل أو تتحد لتشكل وحدة أطول، وكلها تساهم في قدرة الروبوت على الحركة والتوجيه. يسمح النظام الجديد للروبوت المرن بالزحف للأمام والخلف، وحمل البضائع، والتجمع في تشكيلات أطول.

كتب المؤلفون في مقالهم: “يمكن لمفهوم الروبوتات الناعمة المعيارية أن يوفر رؤى حول مستقبل الروبوتات الناعمة التي يمكنها النمو والإصلاح وتطوير وظائف جديدة”.

وأشار تشاو إلى أن قدرة الروبوت على التجمع والانفصال أثناء الحركة تسمح للنظام بالعمل كروبوت فردي أو كأسراب. وقال: “كل مقطع يمكن أن يكون وحدة فردية، ويمكنهم التواصل مع بعضهم البعض والتجمع عند الأمر. يمكنهم الانفصال بسهولة، ونستخدم المغناطيس لربطهم”.

يعمل تشاو في مختبر غلاوسيو بولينو في قسم الهندسة المدنية والبيئية ومعهد برنستون للمواد. بولينو، أستاذ هندسة مارجريتا إنجمان أوغستين، وقد أنشأ مجموعة من الأبحاث التي تطبق تقنيات الأوريغامي على مجموعة واسعة من التطبيقات الهندسية من الأجهزة الطبية إلى الطيران والبناء.

قال بولينو: “لقد أنشأنا روبوتًا ناعمًا معياريًا يعتمد على الأوريغامي، مستوحى من الطبيعة ويعمل بنظام تحكم كهروحراري مع سخانات قابلة للثني بدرجة عالية وتكيفية. هذه تقنية واعدة للغاية يمكن أن تترجم إلى روبوتات يمكنها النمو والإصلاح والتكيف عند الطلب”.

في هذا البحث، بدأ الباحثون ببناء الروبوت من مقاطع أسطوانية تحتوي على نمط أوريغامي يسمى نمط كريسيلينغ. يسمح هذا النمط لكل مقطع بالالتفاف إلى قرص مسطح والتوسع مرة أخرى إلى أسطوانة. تُعَد هذه الحركة الملتوية والمتمددة الأساس لقدرة الروبوت على الزحف وتغيير الاتجاه. من خلال طي جزء من الأسطوانة جزئيًا، يمكن للباحثين إدخال انحناء جانبي في مقطع الروبوت. ومن خلال دمج الانحناءات الصغيرة، يغير الروبوت اتجاهه أثناء حركته للأمام.

أحد أكثر الجوانب تحديًا في العمل كان تطوير آلية للتحكم في حركات الانحناء والطي المستخدمة في دفع الروبوت وتوجيهه. وقد طور الباحثون في جامعة ولاية كارولاينا الشمالية الحل. استخدموا مادتين تنكمشان أو تتوسعان بشكل مختلف عند تسخينهما (الإيلاستومر الكريستالي السائل والبوليميد) ودمجوهما في شرائط رفيعة على طول طيات نمط كريسيلينغ. كما قام الباحثون بتركيب سخان رفيع قابل للتمدد مصنوع من شبكة أسلاك نانوية فضية على طول كل طية. يقوم التيار الكهربائي في السخان النانوي بتسخين الشرائط التحكمية، وتُدخِل التمددات المختلفة للمادتين طية في الشريط. من خلال معايرة التيار والمواد المستخدمة في الشرائط التحكمية، يمكن للباحثين التحكم بدقة في الطي والانحناء لتحريك الروبوت وتوجيهه.

قال يونغ تشو، أستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة ولاية كارولاينا الشمالية وأحد الباحثين الرئيسيين: “يعتبر السلك النانوي الفضي مادة ممتازة لتصنيع الموصلات القابلة للتمدد. تُعَد الموصلات القابلة للتمدد اللبنات الأساسية لمجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية القابلة للتمدد، بما في ذلك السخانات القابلة للتمدد. هنا استخدمنا السخان القابل للتمدد كآلية تحكم لحركات الطي والانحناء”.

وأوضحت شوانغ وو، الباحثة بعد الدكتوراه في مختبر تشو، أن العمل السابق للمختبر استخدم السخان القابل للتمدد للانحناء المستمر لهيكل ثنائي الطبقات. وقالت: “في هذا العمل، حققنا الطي المحلي الحاد لتفعيل نمط الأوريغامي. يمكن تطبيق هذه الطريقة الفعالة للتفعيل بشكل عام على الهياكل الأوريغامي (ذات الطيات) للروبوتات الناعمة”.

أشار الباحثون إلى أن النسخة الحالية من الروبوت لديها سرعة محدودة، وهم يعملون على زيادة الحركة في الأجيال اللاحقة.

وقال تشاو إن الباحثين يخططون أيضًا لتجربة أشكال وأنماط وحالات عدم استقرار مختلفة لتحسين كل من السرعة والتوجيه.

المصدر
sciencedaily

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى