الروبوتيكس الناعم Soft Robotics
من المعروف أن الآلات والروبوتات التقليدية تصنع من مواد صلبة تحدّ من قابليتها للتشوه المرن ومن قابليتها لتعديل شكلها بما يتوافق مع المقيدات الخارجية المفروضة عليها، والعقبات التي من المحتمل أن تصادفها. ومع أن هذه الروبوتات تمتلك إمكانية كبيرة لتكون ذات قدرات خارقة ودقة عالية في تنفيذ المهام؛ فإنها تميل لتكون متخصصة في أداء مهمات محددة فقط، ونادرًا ما تكون لها مهام متعددة على عكس الكائنات الطبيعية.
ومع التوسع الملحوظ الذي يشهده علم الروبوتيكس، إذ لم يعد يقتصرعلى مجالات التصنيع والأتمتة الصناعية فحسب؛ بل إنما دخل حيز العناية بالصحة ومهام اكتشاف المواقع وغيرها من المهمات التي تهدف إلى مساعدة الإنسان وتلبية احتياجاته، كما صار لزامًا أن تكون الآلات والروبوتات ذات بنية أقل صلابة وأكثر تعددية في التخصصات، وأن تميل إلى المطواعية الميكانيكية Mechanical Compliance وتعددية المواد المستخدمة في تكوين بنيتها بشكل يحاكي طبيعة عمل الكائنات الحية. وبالتالي فإن الجيل الجديد من الروبوتات ينبغي أن يكون لينًا وقويًا بنفس الوقت وقادرًا على التفاعل بأمان مع الإنسان وعلى الحركة مع ما قد يواجهه من المقيدات البيئية.
وبشكل مشابه للفأر أو الأخطبوط حيث باستطاعتهما الولوج في فتحة صغير؛ ينبغي على الروبوتات الناعمة أن تكون قابلة للتشوه بمرونة وقادرة على المناورة ضمن المساحات الضيقة دون إحداث ضغوط داخية مضرة أو مناطق تركيز للإجهادات.
وعلى النقيض من الآلات والروبوتات التقليدية؛ لا تحتوي الروبوتات الناعمة على أية مواد صلبة (وإن احتوت فإنها تكون محدودة)، بل تتكون بشكل رئيسي من السوائل أو الهلاميات أو البولميرات اللينة وغيرها من المواد، والتي تمتاز بليونتها وسهولة تشوهها، وتظهر هذه المواد نفس خصائص المرونة والميوعة التي تتميز بها المادة الحية اللينة، وبالتالي تسمح للروبوت بالقيام بوظيفته والبقاء قيد التشغيل في حالات التمدد والتقلص والانضغاط.
وبسبب خلو الروبوتات الناعمة الشبه التام من المواد الصلبة، وبسبب التشابه الكبير بينها وبين الكائنات الحية؛ فإن علم الروبوتيكس الناعم يمكن أن يعتبر مجالًا فرعيًا من مجالات هندسة المواد اللينة أو مجالات هندسة المحاكاة البيولوجية. ومع أن هذه المجالات تعرف المادة اللينة الناعمة وفيزيائها وفقًا لأساسيات كل مجال ومبادئه؛ فإن مجال الروبوتيكس الناعم المستجد والناشئ يبقى مجالًا مفتوحًا وخاليًا من أية محددات تابعة لأية مجموعة مقيدة من الأساليب والمبادئ وعامًا من حيث مجالات التطبيق. وبالتالي؛ فإن علم الروبوتيكس الناعم يجسد منهجًا جديدًا وممتعًا في عالم الهندسة تبرز فيه مجموعة من التحديات تقود إلى إعادة النظر في المواد والميكانيزمات التي نستخدمها في صناعة الآلات والروبوتات، بحيث تكون أكثر تنوعًا ومطواعية وملائمة أكثر للتفاعل مع البشر.
وتتجلى الحاجة إلى الروبوتات الناعمة بصورة ملحوظة في البيئات والتطبيقات التي تتطلب تفاعلًا مع المواد الطرية اللينة والمواد الحية، أو في عمليات الوظائف الحيوية الاصطناعية، ففي الوقت الذي تتعامل فيه الروبوتات الصناعية مع المواد المعدنية والبلاستيكية وأنصاف النواقل وغيرها من المواد الصلبة، تتعامل الروبوتات الطبية بشكل رئيسي مع المواد الطرية اللينة كالجلد الطبيعي والأنسجة العضلية والأعضاء الداخلية الحساسة. ومن ناحية أخرى، يمكن أن تتعامل الروبوتات الناعمة -والتي غالبًا ما تكون مستوحاة من الكائنات الحية- مع سطوح قابلة للتشوه بسهولة كالرمال والطين وأنواع محددة من الأتربة.
ولمنع الروبوت من إحداث أي خرق في مثل هذه السطوح منعًا لأي ضرر أو شلل ميكانيكي Mechanical Immobilization؛ فإنه يجب أن تتوزع القوى المنقولة بين الروبوت والسطح على مساحة تماس كبيرة، وهذا ما يتطلب مايعرف بمبدأ توافق المطاوعة Compliance Matching والذي ينص على أن المواد المتلامسة يجب أن تتشارك في نفس خواص الصلابة الميكانيكية بغية توزيع الأحمال الداخلية وتقليل حدوث تركيز بيني للإجهادات.
ويعد معامل المرونة أو ما يسمى معامل Young أحد أهم مقاييس صلابة المواد، وهو مقدار يمكن تحديده من خلال نسبة الحمل المطبق على النسبة المئوية للاستطالة لعينة مدروسة ذات مقطع هندسي واحد وتتمدد باتجاه محور تطبيق الحمولة. وهذا المعامل يعرف فقط للأشكال الهندسية الموشورية المتجانسة المادة والخاضعة لقوى محورية بحيث ينجم عن ذلك تشوهات صغيرة (أقل من 2% للاستطالة بالنسبة للمعادن)، ولهذا السبب فإن هذا المعامل له علاقة محدودة بالروبوتات الناعمة وكل ما يتعلق بتكنولوجيا المواد اللينة والتي تمتلك أشكالًا غير منتظمة وتخضع لتشوهات كبيرة مرنة وغير مرنة. ومع ذلك يبقى معامل المرونة مفيدًا في مقارنة صلابة المواد الداخلة في هندسة الروبوتات الناعمة، فمعظم الروبوتات التقليدية مكونة من مواد معدنية أو بلاستيكية صلبة ذات معامل صلابة أكبر من 10^9 Pa . وبالمقابل، فإن معظم مكونات الكائنات الحية كالجلد والأنسجة العضلية تمتلك معاملات مرونة بين 10^2 – 10^6 Pa . وعدم توافق المطواعية الميكانيكية هذا يعد السبب الأساسي لكون الروبوتات الصلبة غير مناسبة في التطبيقات البيولوجية وبالتالي نادرًا ما يكون لها تعددية وظيفية.
هناك العديد من المواد المستخدمة في بناء الروبوتات الناعمة، حيث تستخدم البوليميرات الكهربائية Electroactive Polymers EAPs في تصنيع العضلات الاصطناعية، وتضم معظم الروبوتات غالبًا العديد من هذه العضلات كعناصر تحريك Actuators وهذه البوليميرات الكهربائية تتميز بقابلية التقلص والانحناء تحت تأثير تطبيق كمون كهربي معين، وهي تمتلك العديد من الخواص تجعلها مناسبة لطبيعة عمل الروبوتات الناعمة؛ حيث يمكن تصنيعها على أية هيئة أو شكل، بالإضافة إلى مرونتها العالية وخفة وزنها ومدى فعاليتها الكبير، فضلًا عن كون هذه البوليميرات قادرة على تحسس مدى التمدد أو التقلص الحاصل لها، وهذا يعتبر أمرًا مهمًا عند حسابات الشكل أو عند دراسة فضاء الهيئات ومجال العمل للروبوت.
ويمكن استخدام العضلات النيوماتيكية الاصطناعية Pneumatic Artifical Muscles PAMs كنوع آخر من أنواع عناصر التحريك، وهي عبارة عن أنابيب لينة جدرانها الداخلية أو الخارجية مجهزة بنسيج دعامي صلب، وعندما تُزود بالهواء المضغوط تتمدد الأنابيب وتزيد أقطارها وتنكمش على طول محورها الطولي وذلك لأن النسيج الدعامي غير قابل للتمدد.
التحكم بالروبوتات الناعمة أمرٌ صعب، وتكمن الصعوبة في نقطتين: الأولى هي تحديد التموضع الفعلي وفضاء الهيئة للروبوت؛ ففي حالة الروبوتات الصلبة فإن هذا الأمر يعتبر سهلًا جدًا حيث أننا نعرف مسبقاً أماكن وجود المفاصل والوصلات وبالتالي درجة حرية الروبوت Degree of Freedom DOF، ونحتاج فقط لمعرفة زوايا دوران كل مفصل ومن ثم حساب التموضع. أما في حالة الروبوتات الناعمة فهناك عدد لا نهائي من درجات الحرية مع وجود عدد محدد من الحساسات وعناصر التحريك (العضلات) في تكوينها، ولذلك فإنه من المستحيل الحصول على معلومات حول حالة كل درجة حرية. والحل الممكن لهذه المشكلة هو تحديد تموضع أجزاء الروبوت من الخارج باستخدام معلومات مرئية عن طريق كاميرا مثلًا. الناحية الأخرى للمشكلة تكمن في معرفة الحركات التي يجب على الروبوت أن يفعلها حتى يصل إلى التموضع المطلوب. ولتحديد تموضع الروبوت استنادًا إلى جملة القوى الخارجية والداخلية؛ فإنه يجب تطبيق العديد من النماذج الفيزيائية فيما يتعلق بميكانيك الأجسام الصلبة والموائع والتحاليل الحركية Kinematics والميكاترونيكس والتيرموديناميك والتفاعلات الكيميائية وغيرها، الأمر الذي يتطلب قدرة حاسوبية عالية وأنظمة تحسس دقيقة وأنظمة تحكم وتخطيط مسار العمل ضخمة.
للاستزادة في هذا الموضوع، يمكن الرجوع إلى المرجع التالي:
- Laschi, J. Rossiter, F. Iida, M. Cianchetti, L. Margheri, Soft Robotics: Trends, Applications and Challenges (2017), Springer International Publishingالروبوتيكس الناعم Soft Robotics
من المعروف أن الآلات والروبوتات التقليدية تصنع من مواد صلبة تحدّ من قابليتها للتشوه المرن ومن قابليتها لتعديل شكلها بما يتوافق مع المقيدات الخارجية المفروضة عليها، والعقبات التي من المحتمل أن تصادفها. ومع أن هذه الروبوتات تمتلك إمكانية كبيرة لتكون ذات قدرات خارقة ودقة عالية في تنفيذ المهام؛ فإنها تميل لتكون متخصصة في أداء مهمات محددة فقط، ونادرًا ما تكون لها مهام متعددة على عكس الكائنات الطبيعية.
ومع التوسع الملحوظ الذي يشهده علم الروبوتيكس، إذ لم يعد يقتصرعلى مجالات التصنيع والأتمتة الصناعية فحسب؛ بل إنما دخل حيز العناية بالصحة ومهام اكتشاف المواقع وغيرها من المهمات التي تهدف إلى مساعدة الإنسان وتلبية احتياجاته، كما صار لزامًا أن تكون الآلات والروبوتات ذات بنية أقل صلابة وأكثر تعددية في التخصصات، وأن تميل إلى المطواعية الميكانيكية Mechanical Compliance وتعددية المواد المستخدمة في تكوين بنيتها بشكل يحاكي طبيعة عمل الكائنات الحية. وبالتالي فإن الجيل الجديد من الروبوتات ينبغي أن يكون لينًا وقويًا بنفس الوقت وقادرًا على التفاعل بأمان مع الإنسان وعلى الحركة مع ما قد يواجهه من المقيدات البيئية.
وبشكل مشابه للفأر أو الأخطبوط حيث باستطاعتهما الولوج في فتحة صغير؛ ينبغي على الروبوتات الناعمة أن تكون قابلة للتشوه بمرونة وقادرة على المناورة ضمن المساحات الضيقة دون إحداث ضغوط داخية مضرة أو مناطق تركيز للإجهادات.
وعلى النقيض من الآلات والروبوتات التقليدية؛ لا تحتوي الروبوتات الناعمة على أية مواد صلبة (وإن احتوت فإنها تكون محدودة)، بل تتكون بشكل رئيسي من السوائل أو الهلاميات أو البولميرات اللينة وغيرها من المواد، والتي تمتاز بليونتها وسهولة تشوهها، وتظهر هذه المواد نفس خصائص المرونة والميوعة التي تتميز بها المادة الحية اللينة، وبالتالي تسمح للروبوت بالقيام بوظيفته والبقاء قيد التشغيل في حالات التمدد والتقلص والانضغاط.
وبسبب خلو الروبوتات الناعمة الشبه التام من المواد الصلبة، وبسبب التشابه الكبير بينها وبين الكائنات الحية؛ فإن علم الروبوتيكس الناعم يمكن أن يعتبر مجالًا فرعيًا من مجالات هندسة المواد اللينة أو مجالات هندسة المحاكاة البيولوجية. ومع أن هذه المجالات تعرف المادة اللينة الناعمة وفيزيائها وفقًا لأساسيات كل مجال ومبادئه؛ فإن مجال الروبوتيكس الناعم المستجد والناشئ يبقى مجالًا مفتوحًا وخاليًا من أية محددات تابعة لأية مجموعة مقيدة من الأساليب والمبادئ وعامًا من حيث مجالات التطبيق. وبالتالي؛ فإن علم الروبوتيكس الناعم يجسد منهجًا جديدًا وممتعًا في عالم الهندسة تبرز فيه مجموعة من التحديات تقود إلى إعادة النظر في المواد والميكانيزمات التي نستخدمها في صناعة الآلات والروبوتات، بحيث تكون أكثر تنوعًا ومطواعية وملائمة أكثر للتفاعل مع البشر.
وتتجلى الحاجة إلى الروبوتات الناعمة بصورة ملحوظة في البيئات والتطبيقات التي تتطلب تفاعلًا مع المواد الطرية اللينة والمواد الحية، أو في عمليات الوظائف الحيوية الاصطناعية، ففي الوقت الذي تتعامل فيه الروبوتات الصناعية مع المواد المعدنية والبلاستيكية وأنصاف النواقل وغيرها من المواد الصلبة، تتعامل الروبوتات الطبية بشكل رئيسي مع المواد الطرية اللينة كالجلد الطبيعي والأنسجة العضلية والأعضاء الداخلية الحساسة. ومن ناحية أخرى، يمكن أن تتعامل الروبوتات الناعمة -والتي غالبًا ما تكون مستوحاة من الكائنات الحية- مع سطوح قابلة للتشوه بسهولة كالرمال والطين وأنواع محددة من الأتربة.
ولمنع الروبوت من إحداث أي خرق في مثل هذه السطوح منعًا لأي ضرر أو شلل ميكانيكي Mechanical Immobilization؛ فإنه يجب أن تتوزع القوى المنقولة بين الروبوت والسطح على مساحة تماس كبيرة، وهذا ما يتطلب مايعرف بمبدأ توافق المطاوعة Compliance Matching والذي ينص على أن المواد المتلامسة يجب أن تتشارك في نفس خواص الصلابة الميكانيكية بغية توزيع الأحمال الداخلية وتقليل حدوث تركيز بيني للإجهادات.
ويعد معامل المرونة أو ما يسمى معامل Young أحد أهم مقاييس صلابة المواد، وهو مقدار يمكن تحديده من خلال نسبة الحمل المطبق على النسبة المئوية للاستطالة لعينة مدروسة ذات مقطع هندسي واحد وتتمدد باتجاه محور تطبيق الحمولة. وهذا المعامل يعرف فقط للأشكال الهندسية الموشورية المتجانسة المادة والخاضعة لقوى محورية بحيث ينجم عن ذلك تشوهات صغيرة (أقل من 2% للاستطالة بالنسبة للمعادن)، ولهذا السبب فإن هذا المعامل له علاقة محدودة بالروبوتات الناعمة وكل ما يتعلق بتكنولوجيا المواد اللينة والتي تمتلك أشكالًا غير منتظمة وتخضع لتشوهات كبيرة مرنة وغير مرنة. ومع ذلك يبقى معامل المرونة مفيدًا في مقارنة صلابة المواد الداخلة في هندسة الروبوتات الناعمة، فمعظم الروبوتات التقليدية مكونة من مواد معدنية أو بلاستيكية صلبة ذات معامل صلابة أكبر من 10^9 Pa . وبالمقابل، فإن معظم مكونات الكائنات الحية كالجلد والأنسجة العضلية تمتلك معاملات مرونة بين 10^2 – 10^6 Pa . وعدم توافق المطواعية الميكانيكية هذا يعد السبب الأساسي لكون الروبوتات الصلبة غير مناسبة في التطبيقات البيولوجية وبالتالي نادرًا ما يكون لها تعددية وظيفية.
هناك العديد من المواد المستخدمة في بناء الروبوتات الناعمة، حيث تستخدم البوليميرات الكهربائية Electroactive Polymers EAPs في تصنيع العضلات الاصطناعية، وتضم معظم الروبوتات غالبًا العديد من هذه العضلات كعناصر تحريك Actuators وهذه البوليميرات الكهربائية تتميز بقابلية التقلص والانحناء تحت تأثير تطبيق كمون كهربي معين، وهي تمتلك العديد من الخواص تجعلها مناسبة لطبيعة عمل الروبوتات الناعمة؛ حيث يمكن تصنيعها على أية هيئة أو شكل، بالإضافة إلى مرونتها العالية وخفة وزنها ومدى فعاليتها الكبير، فضلًا عن كون هذه البوليميرات قادرة على تحسس مدى التمدد أو التقلص الحاصل لها، وهذا يعتبر أمرًا مهمًا عند حسابات الشكل أو عند دراسة فضاء الهيئات ومجال العمل للروبوت.
ويمكن استخدام العضلات النيوماتيكية الاصطناعية Pneumatic Artifical Muscles PAMs كنوع آخر من أنواع عناصر التحريك، وهي عبارة عن أنابيب لينة جدرانها الداخلية أو الخارجية مجهزة بنسيج دعامي صلب، وعندما تُزود بالهواء المضغوط تتمدد الأنابيب وتزيد أقطارها وتنكمش على طول محورها الطولي وذلك لأن النسيج الدعامي غير قابل للتمدد.
التحكم بالروبوتات الناعمة أمرٌ صعب، وتكمن الصعوبة في نقطتين: الأولى هي تحديد التموضع الفعلي وفضاء الهيئة للروبوت؛ ففي حالة الروبوتات الصلبة فإن هذا الأمر يعتبر سهلًا جدًا حيث أننا نعرف مسبقاً أماكن وجود المفاصل والوصلات وبالتالي درجة حرية الروبوت Degree of Freedom DOF، ونحتاج فقط لمعرفة زوايا دوران كل مفصل ومن ثم حساب التموضع. أما في حالة الروبوتات الناعمة فهناك عدد لا نهائي من درجات الحرية مع وجود عدد محدد من الحساسات وعناصر التحريك (العضلات) في تكوينها، ولذلك فإنه من المستحيل الحصول على معلومات حول حالة كل درجة حرية. والحل الممكن لهذه المشكلة هو تحديد تموضع أجزاء الروبوت من الخارج باستخدام معلومات مرئية عن طريق كاميرا مثلًا. الناحية الأخرى للمشكلة تكمن في معرفة الحركات التي يجب على الروبوت أن يفعلها حتى يصل إلى التموضع المطلوب. ولتحديد تموضع الروبوت استنادًا إلى جملة القوى الخارجية والداخلية؛ فإنه يجب تطبيق العديد من النماذج الفيزيائية فيما يتعلق بميكانيك الأجسام الصلبة والموائع والتحاليل الحركية Kinematics والميكاترونيكس والتيرموديناميك والتفاعلات الكيميائية وغيرها، الأمر الذي يتطلب قدرة حاسوبية عالية وأنظمة تحسس دقيقة وأنظمة تحكم وتخطيط مسار العمل ضخمة.
للاستزادة في هذا الموضوع، يمكن الرجوع إلى المرجع التالي:
Laschi, J. Rossiter, F. Iida, M. Cianchetti, L. Margheri, Soft Robotics: Trends, Applications and Challenges (2017), Springer International Publishing
