محرك يبدو أقرب إلى الخيط منه إلى الآلات
بنى مهندسون في EPFL في سويسرا محركاً مرناً يبدو كالخيط، وهو شكل يبدو متناقضاً مع كل ما تثيره كلمة "محرك" عادة في الذهن. الجهاز، الذي يسميه الفريق FiberMotor، مرن وليس صلباً، ويمتد بطريقة تشبه الأجزاء المنزلقة في التلسكوب. الهدف من التصميم هو تشغيل الروبوتات اللينة والأجهزة القابلة للارتداء، وهما فئتان من التقنيات طالما أعاقتهما المحركات الصلبة الصندوقية التي تقع في صميمها.
الفكرة بسيطة في طرحها وصعبة في هندستها: إذا كانت الآلة التي يجري بناؤها لينة، فلا ينبغي أن يكون الشيء الذي يحركها هو الجسم الأكثر صلابة في التركيب. FiberMotor محاولة لسد هذه الفجوة بالبدء من المشغل نفسه بدلاً من التعامل مع المرونة كفكرة لاحقة تُضاف حول عتاد تقليدي.
لماذا تصطدم الروبوتات اللينة دائماً بمحركات صلبة
أمضت الروبوتات اللينة سنوات في تطوير أجسام تنحني وتمتد وتمسك الأجسام الهشة وتمتص الصدمات دون أن تتحطم. تحرك جانب المواد في هذا المجال بسرعة، مع مطاطيات وأقمشة وهياكل مرنة يمكنها الالتواء والانثناء بطرق لا تستطيع الوصلات المعدنية تحقيقها. وتظهر المشكلة في لحظة التشغيل. فالمحركات وعلب التروس وخطوط النقل التي تربطها عادة ما تكون صلبة، وتثبيتها على جسم مرن يخلق عدم توافق ميكانيكي.
ويظهر هذا عدم التوافق بعدة طرق عملية:
- تصبح المكونات الصلبة أثقل وأكثر هشاشة جزء في نظام يُفترض أنه لين، مما يحد من مدى مرونة الآلة بأكملها فعلياً.
- يتركز الوزن عند المفاصل التي يوجد فيها المحرك، مما يقيد الأشكال التي يمكن للمصمم بناؤها والحركات التي يمكن للجهاز أدائها بأمان.
- تصبح الواجهات بين العتاد الصلب والمواد اللينة نقاط تآكل، وهي الأماكن التي يكون فيها الجهاز أكثر عرضة للإجهاد أو الفشل.
- يحد الحجم الكبير من مدى قدرة الروبوت اللين على محاكاة طرف بيولوجي، والذي عادة ما يكون لديه عضلات موزعة بدلاً من محرك واحد كثيف.
المحرك المرن الشبيه بالخيط يعالج عدم التوافق هذا من المصدر. فبدلاً من التصميم حول كتلة صلبة، سيعمل المهندسون مع مشغل يمكن توجيهه وثنيه ودمجه في هيكل مرن تماماً كما قد يفعل الوتر أو الكابل.
سلوك التلسكوب، مشروحاً بعبارات بسيطة
المقارنة التي يلجأ إليها الباحثون هي التلسكوب، والتشبيه يتعلق بكيفية تغير طول الجهاز. يمتد التلسكوب بتمرير أجزاء متداخلة فوق بعضها البعض، فيكسب مدى دون أن يكتسب جسماً صلباً واحداً بطول كامل. ويوصف FiberMotor بأنه ينزلق بطريقة مماثلة، مما يشير إلى آلية يمكنها التمدد للخارج من شكل مرن مدمج بدلاً من الاعتماد على عمود أو دوار تقليدي.
وهذا مهم لتصميم الحركة. فالتمدد التلسكوبي يمنح النظام اللين طريقة للوصول أو الدفع أو الاستطالة على طول محور بينما يظل المشغل نفسه مرناً. وبالنسبة للروبوتات التي تحتاج إلى التمدد داخل مساحات ضيقة، أو للأجهزة القابلة للارتداء التي يجب أن تتبع محيط جسم متحرك، فإن مشغلاً يغير طوله عند الطلب دون فرض عمود فقري صلب هو لبنة بناء مختلفة بشكل جوهري عن محرك مقترن بلولب قيادة صلب.
الأجهزة القابلة للارتداء هي النصف الثاني من الرهان
تواجه تقنية الأجهزة القابلة للارتداء مشكلة موازية. فالأجهزة التي تُلبس على الجسم يُحكم عليها بالراحة والوزن ومدى قلة تدخلها في الحركة الطبيعية، ومع ذلك فإن الأجهزة المساعدة القابلة للارتداء المزوّدة بالطاقة بُنيت تقليدياً من إطارات صلبة ومحركات تجلس بشكل ملحوظ على الورك أو الركبة أو الظهر. أما الروبوتات الملاصقة للملابس، في المقابل، فستحتاج إلى محركات يمكن نسجها في القماش أو مدها على طول طرف دون إنشاء نقطة ضغط أو حافة صلبة.
المحرك الشبيه بالخيط يناسب هذا المطلب من الناحية النظرية. فتصنيع المنسوجات يتعامل بالفعل مع مواد مرنة ومستطيلة على نطاق واسع، لذا فإن مشغلاً على شكل خيط متوافق على الأقل مع طريقة صنع الملابس. والخصائص نفسها التي قد تجعل FiberMotor مفيداً في روبوت لين — المرونة، والملف النحيف، والقدرة على التمدد على طوله — هي الخصائص التي يحتاجها محرك قابل للارتداء.
ما لم يُثبت بعد
إعلان جهاز في مرحلة مبكرة يترك الأسئلة الهندسية مفتوحة. يُقدَّم FiberMotor من EPFL كمحرك مرن يشبه الخيط ويمتد تلسكوبياً للروبوتات اللينة والأجهزة القابلة للارتداء، لكن الوصف الرئيسي لا يحسم مقدار القوة التي يمكن لمثل هذا المحرك إنتاجها، ولا مدى كفاءته في تحويل الطاقة إلى حركة، ولا عدد الدورات التي يمكنه تحملها قبل أن تتدهور العناصر المرنة، ولا كيفية تشغيله والتحكم فيه في نظام حقيقي.
هذه هي الأرقام التي تحدد ما إذا كان مشغل ذكي يصبح مكوناً عملياً. غالباً ما تقايض المشغلات اللينة كثافة القوة والدقة مقابل المرونة، والسؤال المثير للاهتمام بشأن FiberMotor هو أين يقع في هذه المقايضة. فجهاز قابل للارتداء يساعد مفصلاً، على سبيل المثال، يحتاج إلى قوة كافية لتكون ذات أثر، بينما يحتاج روبوت لين يتعامل مع أجسام هشة إلى تحكم دقيق. وما إذا كان محرك تلسكوبي شبيه بالخيط قادراً على تقديم أي منهما بمستويات مفيدة هو ما ينبغي البحث عنه لاحقاً.
نمط مألوف في أبحاث المشغلات
يقع FiberMotor داخل دفعة أوسع لجعل التشغيل يطابق لين الهياكل التي يحركها. وقد جرّبت مجموعات بحثية في أوروبا وآسيا وأمريكا الشمالية عضلات اصطناعية وأوتاراً مدفوعة بالكابلات وغرفاً هوائية ومشغلات إلكتروستاتيكية، وكلها تسعى إلى الهدف نفسه من زوايا مختلفة: تحريك آلات مرنة بعتاد مرن. ومساهمة EPFL تضيف خياراً ليفياً تلسكوبياً إلى تلك القائمة.
قيمة فئة مشغلات جديدة نادراً ما تكمن في أنها تستبدل المحركات الحالية بالكامل. بل في أنها تفتح مساحة تصميم. فإذا كان المحرك يمكن أن يكون رفيعاً ومرناً كالخيط، فإن أطراف الروبوتات والبدلات الخارجية والأجهزة المساعدة القابلة للارتداء لم تعد مضطرة إلى التنظيم حول محرك صلب عند مفصل. يمكن تنظيمها حول تشغيل موزع متوافق مع المنسوجات — أقرب إلى الطريقة التي تُرتب بها العضلات البيولوجية.
في الوقت الحالي، FiberMotor شكل واعد أكثر من كونه منتجاً مثبتاً. الخيط ينزلق، والتلسكوب يمتد، والتطبيقات المذكورة هي الروبوتات اللينة والأجهزة القابلة للارتداء. والعمل المقبل هو الجزء غير اللامع: قياس المتانة والإنتاج والتحكم، ثم إظهار الجهاز يعمل بموثوقية داخل آلة فعلية.
يعتمد هذا المقال على تقرير لـ Interesting Engineering. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on interestingengineering.com
