روبوت صغير يقفز ويسبح بحركة الضفدع الذكية

هل يحتاج الروبوت الصغير فعلاً إلى محرّك ضخم كي يقفز ويسبح ويتسلّق الدرج؟ فريق بحثي من جامعتَي ميشيغان وكاليفورنيا في لوس أنجلوس (UCLA) يقول إنّ الإجابة لا، وإنّ الحلّ موجود منذ زمن طويل في حركة الضفادع.

نُشرت الدراسة في 18 سبتمبر ضمن مجلّة Science Advances (المجلّد 12، العدد 38، المقال eaeh2779)، وشارك في إعدادها كلٌّ من D. Tong وJ. Wang وZ. Chen وA. Borum وW. Huang وX. Huang وM. K. Jawed. والفكرة في جوهرها بسيطة: بدل الاعتماد على محرّكات قوية ومعقّدة لدفع الروبوتات الصغيرة، لماذا لا نجعل البنية الميكانيكية نفسها تُخزّن الطاقة وتُطلقها دفعة واحدة، تماماً كما تفعل عضلات الضفدع قبل القفزة؟

كيف يتحوّل عصا ملتوية إلى قفزة قوية؟

الضفادع والخيول والحشرات كانت جميعها مصدر إلهام سابق للروبوتات التي تحاول حلّ مشكلة الحركة والدفع، والضفدع هو أحدث هذه الكائنات التي استُعيرت آليّتها. لكن ما درسه الباحثون هذه المرّة ليس تشريح العضلات، بل سلوك العصا المرنة المنحنية حين تُلوى.

حين تُثنى عصا مرنة ثم تُدار (تُلوى) حول محورها، يتراكم فيها توتّر داخلي. بعض تركيبات الانحناء والالتواء تُنتج تغيّراً تدريجياً في الشكل، لكن تركيبات أخرى تُطلق هذا التوتّر فجأة في حركة "طقطقة" سريعة وهي اللحظة التي تهمّ المهندسين، لأنها تمنح دفعة قوية في زمن قصير جداً.

عبر نمذجة حاسوبية وتجارب على ذراع روبوتية، حدّد الفريق الشكل الأمثل لتحقيق أقصى قدر من إطلاق الطاقة: حلزون يشبه نابضاً ملفوفاً. بعدها ربطوا العصي الحلزونية بمحرّك دوّار؛ الالتواء يُراكم الطاقة ويُطلق "الطقطقة"، وفكّ اللفّ يُعيد العصا إلى وضعها الأصلي استعداداً لقفزة جديدة.

روبوتٌ بحجم كفّ اليد يقفز، يسبح، ويتسلّق

النموذج الأوّلي الذي بناه الفريق جسدٌ يشبه الضفدع، مزوّد بعصوين حلزونيتين عند مؤخّرته، ويزن 3.4 أونصة فقط أي تقريباً وزن مجموعة أوراق لعب. بهذا الحجم المتواضع، تحرّك الروبوت بقفزات قصيرة بمعدّل نحو ثلاثة أطوال لجسمه في الثانية الواحدة.

الاختبارات لم تقتصر على الأرضيات السهلة؛ شملت الخشب الصلب والزجاج، إضافة إلى أسطح ناعمة أو زلقة مثل الجلد، ثم خرجت إلى الهواء الطلق على الرمل والعشب. كما استطاع الروبوت صعود الدرج والنزول عنه. وبإضافة مجاذيف بسيطة، تحوّل نفس الجسم إلى سبّاح. أمّا استخدام عصا واحدة فقط من العصوين فيسمح للروبوت بالانعطاف، وهي ميزة تحكّم لم تكن متاحة لولا تصميم العصوين المنفصلتين. وفي اختبار عملي، قاد الباحثون الروبوت عن بُعد عبر مسار عقبات صغير.

لماذا يهتمّ مهندسو الروبوتات بهذا تحديداً؟

خوانيان (شون) خوانغ، الأستاذ المساعد في الروبوتات بجامعة ميشيغان وأحد المؤلّفين الرئيسيين للدراسة، يختصر الفكرة بوضوح: "الفرصة الأوسع هي أن نترك ميكانيكا الروبوت تقوم ببعض العمل الذي كان سيتطلّب خلاف ذلك محرّكات أكبر أو تحكّماً أكثر تعقيداً."

ويشرح خوانغ أنّ البرمجة الزمنية لتخزين الطاقة المرنة وإطلاقها هي ما يصنع الفارق: "من خلال برمجة اللحظة التي تُخزّن فيها بنية مرنة الطاقة وتُطلقها بسرعة، يمكننا أن نمنح الروبوتات الصغيرة إمكانية الوصول إلى حركات قوية وقابلة للتكرار دون أن نطلب من المحرّك باستمرار أداءً عالياً."

أمّا التطبيقات المستقبلية التي يتصوّرها، فتتجاوز مختبر البحث: "في المستقبل، قد يكون هذا المبدأ مفيداً للروبوتات التي يجب أن تتنقّل عبر تضاريس مزدحمة، وتتغلّب على عقبات، وتعيد توجيه نفسها بسرعة، أو تعمل في البرّ والماء معاً."

هل يصلح هذا الحلّ للروبوتات الصغيرة جداً؟

خالد جاويد، الأستاذ المشارك في كلّية الهندسة بجامعة UCLA والمؤلّف الرئيسي الآخر للدراسة، يرى أنّ قوّة هذا النهج تكمن في قابليته للتوسّع في الاتجاهين، أي تصغيره بقدر ما يمكن تكبيره: "لأنّ قواعد التصميم تعتمد على شكل العصا وكيفية تحريك طرفيها، فإنها تعمل عبر أحجام ومقاييس مختلفة."

وهذا ما يفتح الباب، في نظره، أمام جيل جديد من الروبوتات الأصغر بكثير من النموذج الحالي: "هذا يفتح مساراً واعداً نحو روبوتات مُصغّرة لا يتجاوز حجمها بضعة ملليمترات، تُحوّل حركات محرّك صغيرة إلى اندفاعات قوية من الحركة."

هذا الكلام ليس مجرّد تفاؤل أكاديمي؛ فالفكرة الأساسية تخزين طاقة ميكانيكية بسيطة بدل الاعتماد الكامل على المحرّك هي بالضبط ما يحتاجه أي روبوت يُفترض أن يعمل لساعات طويلة ببطارية محدودة، أو أن يتسلّل إلى شقوق وأماكن ضيّقة لا يصلها شيء أكبر من بضعة ملليمترات.

تبقى المسافة بين نموذج أوّلي بحجم كفّ اليد و روبوت تشغيلي فعلي يعمل في مواقع حقيقية كمواقع الكوارث أو خطوط الأنابيب أو حتى المسطّحات المائية الصغيرة مسافة لا يُستهان بها عادة في هذا النوع من الأبحاث. لكنّ ما يميّز هذه الدراسة أنها لا تقترح تقنية جديدة كلّياً بقدر ما تُعيد توظيف مبدأ ميكانيكي معروف انحناء العصا والتواؤها بدقّة هندسية لم تكن متاحة من قبل. وسيحدّد الزمن ما إذا كانت هذه "الطقطقة" المستوحاة من الضفدع ستقفز فعلاً من المختبر إلى الاستخدام الميداني، أم ستبقى حبيسة فيديوهات العرض التوضيحي.