روبوت صغير يشبه الضفدع يستخدم قضبانًا مرنة نابضة للقفز والسباحة وعبور الأسطح المبللة

استلهم علماء الروبوتات الإلهام من الخيول والحشرات وعدد لا يحصى من الحيوانات الأخرى في سعيهم لتحسين أنظمة الدفع. والآن تنضم الضفادع إلى تلك القائمة. فقد عرض فريق من الباحثين روبوتًا بحجم راحة اليد يستعير براعة البرمائيات في القفزات المفاجئة والقوية، باستخدام آلية مبنية حول قضبان مرنة منحنية تنتقل من شكل إلى آخر بحركة نابضة.

ويستكشف العمل، الذي نُشر في 18 سبتمبر في مجلة Science Advances، كيف يمكن لالتواء وثني القضبان المرنة أن يخزّن الطاقة ثم يطلقها في لحظة — وهي "حركة نابضة" تتيح لآلة صغيرة أن تدفع نفسها إلى الأمام أو تشق طريقها عبر الماء. كما بنى الباحثون نموذجًا أوليًا عاملاً لإظهار الفكرة عمليًا.

لماذا تُعد الضفادع مصدر إلهام جيد للروبوتات

الضفادع قافزة بكفاءة غير عادية. فهي لا تعتمد على عضلات ضخمة للقفز؛ بل تستغل الطاقة المرنة المخزنة في أوتارها، وتطلقها بسرعة لتدفع نفسها بعيدًا عن المفترسات أو عبر البرك. وهذه الحيلة البيولوجية جاذبة للمهندسين لأنها تتجاوز قيدًا أساسيًا في الروبوتات الصغيرة: فكلما صغر حجم الآلة، صار من الصعب أكثر تضمين محركات قوية والإلكترونيات اللازمة للتحكم بها.

ويرى مؤلفو الدراسة أن آليات النبض المستوحاة من الطبيعة قد تفتح مجالًا وسطًا. فبدلًا من تكبير المحركات، يقترحون بناء روبوتات يتولى هيكلها الفيزيائي نفسه جزءًا من عمل الحركة — وهي استراتيجية قد تفيد الآلات ذات ميزانيات الطاقة المحدودة، أو تلك التي يجب أن تعبر أرضًا غير مستوية وحتى الماء.

كيف يعمل القضيب النابض

جوهر التصميم هو قضيب مرن. فعندما يُثنى القضيب على شكل منحنى وتُدار أطرافه، يتراكم الشد داخل المادة. وفي النهاية يصل القضيب إلى عتبة ينقلب عندها إلى تشكيل جديد، فيفرغ تلك الطاقة المتراكمة في جزء من الثانية.

وما يجعل النظام مثيرًا للاهتمام — وصعبًا هندسيًا — هو أن هذا الانتقال ليس قابلًا للتنبؤ بشكل مثالي. فبحسب كيفية دمج الثني والالتواء، يمكن للقضيب أن يحرر طاقته المخزنة بأكثر من طريقة. وقد فحص الباحثون تلك التوليفات لفهم أي التشكيلات ينتج نبضة موثوقة وقابلة للتكرار يمكن تسخيرها كقفزة.

وفي الواقع، يعمل القضيب كنابض ميكانيكي وزُناد إطلاق في آن واحد. فإذا برمجت توقيت تخزين الطاقة وتوقيت إطلاقها، اكتسب الروبوت إمكانية الوصول إلى حركات حادة وقوية دون أن يطلب من محرك تقديم إنتاج عالٍ باستمرار.

نموذج أولي بحجم راحة اليد

لإظهار المفهوم، جمّع الفريق آلة مدمجة أقرب أبعادها إلى لعبة منها إلى روبوت تقليدي. ومن الأرقام الرئيسية في الدراسة والنموذج الأولي:

• الوزن: نحو 3.4 أونصة، أي ما يعادل تقريبًا وزن مجموعة من أوراق اللعب.
• الحجم: صغير بما يكفي ليستقر في راحة اليد.
• السرعة: نحو ثلاثة أطوال جسم في الثانية، تتحقق عبر سلسلة من القفزات القصيرة.
• القدرات: القفز عبر الأسطح المبللة، والسباحة، واجتياز مسار مليء بالعوائق.

ويُعد عرض مسار العوائق ملحوظًا لأنه يختبر الروبوت خارج إعداد مختبر خاضع للتحكم. فالآلة القادرة على القفز والهبوط وإعادة التوجيه ومواصلة الحركة عليها أن تتعامل مع عدم القدرة على التنبؤ — أرض زلقة، وعوائق، والانتقال من أرض جافة إلى الماء — باستخدام مجموعة ميكانيكية بسيطة بدلًا من حسابات معقدة على متن الروبوت.

ترك الميكانيكا تقوم بالعمل

وصف شياونان (شون) هوانغ، أستاذ مساعد في علم الروبوتات بجامعة ميشيغان والمؤلف الأول المشارك في الدراسة، المشروع بأنه وسيلة لإعادة توزيع الجهد بين العتاد البرمجي وبرمجيات التحكم. وقال في بيان إن الفرصة الأوسع هي أن تتيح ميكانيكا الروبوت التعامل مع بعض العمل الذي كان سيتطلب لولا ذلك محركات أكبر أو أنظمة تحكم أكثر تعقيدًا.

وأوضح هوانغ أنه من خلال برمجة متى يخزّن الهيكل المرن الطاقة ومتى يطلقها بسرعة، يمكن للمهندسين منح الروبوتات الصغيرة حركات قوية وقابلة للتكرار دون دفع المحركات باستمرار إلى حدودها. ويشير هذا التأطير إلى اتجاه أوسع في أبحاث الروبوتات: فبدلًا من إضافة مزيد من المشغلات والحوسبة، يبحث المصممون عن طرق لبناء الذكاء والقدرة مباشرة في جسم الآلة.

أين قد تفيد الروبوتات القافزة والسابحة

يصف الباحثون عدة سياقات قد يكون فيها لآلة صغيرة مقتصدة في الطاقة وذات قدرة برمائية أن تكون مفيدة:

• التضاريس المزدحمة التي تعاني فيها العجلات والجنازير، مثل الأنقاض أو الغطاء النباتي الكثيف.
• البيئات التي تتطلب تجنبًا سريعًا للعوائق أو إعادة توجيه مفاجئة.
• المهام التي تعبر بين البر والماء، حيث لا تكفي استراتيجية حركة واحدة.
• عمليات النشر التي تكون فيها سعة البطارية أو إنتاج المحرك محدودًا بشدة بسبب الحجم.

وأشار هوانغ إلى أن المبدأ قد يدعم في النهاية روبوتات يجب أن تتنقل في أرض فوضوية مليئة بالعوائق، أو تتغلب على الحواجز، أو تستدير بسرعة، أو تعمل في بيئات برية ومائية معًا. وهذا المزيج من الرشاقة والكفاءة هو بالضبط ما يجعل الضفادع متخصصة عامة فعالة في العالم الطبيعي.

ما الذي يأتي بعد ذلك

الدراسة إثبات للمفهوم وليست منتجًا نهائيًا. فآليات النبض صعبة بطبيعتها في التحكم الدقيق، وكون القضيب المنحني والملتوي لا يطلق طاقته دائمًا بالطريقة نفسها يمثل فرصة وتحديًا في آن واحد للمهندسين الذين يأملون في بناء مشيات موثوقة.

ومع ذلك، يشير أداء النموذج الأولي — نحو ثلاثة أطوال جسم في الثانية عبر أرض مبللة وماء — إلى أن للنهج مجالًا للنمو. ومع رسم الباحثين لعلاقة الثني والالتواء والنبض بشكل أكثر شمولًا، قد يتمكنون من تصميم هياكل مرنة تقدم قفزات محددة وقابلة للتكرار عند الطلب. وإذا حدث ذلك، فقد ينتهي الأمر بالضفدع المتواضع إلى تشكيل جيل من الروبوتات الصغيرة التي تقفز حيث لا تستطيع الآلات الأكبر أن تتبع.

يعتمد هذا المقال على تقرير من Live Science. اقرأ المقال الأصلي.