ما هو الروبوت المرن؟

هل سبق لك أن رأيت روبوتًا مرنًا؟ إنه نوع جديد من الروبوتات التي تتحرك عند نفخها، مثل البالون أو بايماكس من فيلم Big Hero 6^TM! وعلى عكس البالون، تتميز الروبوتات المرنة بتعدد استخداماتها، وبالتالي فهي تتوفر بأشكال وأحجام مختلفة. وعندما يهدف العلماء إلى تحقيق غاية معينة من الروبوت المرن، عليهم أن يصنعوا بعض النماذج الأولية للتأكد من نجاح فكرتهم. وتُعد النماذج الأولية طريقة سريعة وغير مكلفة لاختبار العديد من الأفكار. وتتيح الطابعات ثلاثية الأبعاد للعلماء صنع نماذج أولية بسرعة. وستتعرف في هذا المقال على القوالب المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد وكيف يستخدمها العلماء الذين يُطلق عليهم علماء الروبوتات المرنة لصنع روبوتات مرنة. ويعمل نوع الطابعة الذي سنتحدث عنه عن طريق إذابة البلاستيك ودفعه عبر فوهة صغيرة، مثل مسدس الغراء الساخن الذي يذيب أعواد الغراء. وللاطلاع على أمثلة لأنواع أخرى من الطباعة ثلاثية الأبعاد، راجع هذا المقال أو [1]. وفي الطباعة ثلاثية الأبعاد، يوجه رمز حاسوبي الفوهة لتتحرك فوق سطح مستوٍ، فتضع خيوطًا طويلة من البلاستيك المُذاب لصنع شكل محدد.

ما هي الطباعة ثلاثية الأبعاد وكيف تُستخدم في صناعة الروبوتات المرنة؟

هل تعلم ما فائدة الطباعة ثلاثية الأبعاد؟ حسنًا، يمكن للطابعات ثلاثية الأبعاد تحويل الأفكار إلى أشياء واقعية بسرعة وبتكلفة معقولة. وقد كان صنع الأشياء قبل الطباعة ثلاثية الأبعاد ينطوي على أخذ كتلة من شيءٍ ما مثل البلاستيك أو المعدن وتقطيعها بآلة، كما يفعل نحات الحجارة أو النجار. وهذا ما يسمى بـالتصنيع الطرحي، أو التصنيع الآلي، لأنه يزيل المواد من الكتلة الأصلية. والطباعة ثلاثية الأبعاد هي نوع من أنواع التصنيع الإضافي. وعند إنشاء تصميم للمرة الأولى، قد يستغرق التصنيع الطرحي أيامًا أو أسابيع ويكون مكلفًا للغاية. وإذا استخدم علماء الروبوتات المرنة الطابعات ثلاثية الأبعاد لصنع روبوتات مرنة، فيمكنهم تغيير تصميماتهم بسرعة. فقد يكتشفون أن جلد الروبوت الذي صنعوه للتو رقيق للغاية لدرجة أنه قد يتشقق. ولكن مع الطباعة ثلاثية الأبعاد، كل ما عليهم فعله هو تكثيف الجلد في التصميم على الكمبيوتر، وإرساله إلى الطابعة، والعمل على مهام أخرى ريثما تنتهي الطباعة. وتنتهي طباعة بعض التصميمات في غضون ساعات قليلة فحسب. ولكن ماذا يطبع علماء الروبوتات المرنة؟

يطبع بعض علماء الروبوتات المرنة روبوتاتهم المرنة مباشرةً. يشبه هذا الطريقة التي استخدمها الباحثون في هذا المقال لطباعة هياكلهم بطريقة مباشرة. فلديهم طابعات خاصة يمكنها طباعة مواد مرنة للغاية. غير أن بعض الأشكال التي يصنعها فريق علماء الروبوتات المرنة لدينا لا تعمل على هذه الطابعات، لذا فإن فريقنا ومعظم علماء الروبوتات المرنة الآخرين لا يطبعون روبوتاتنا المرنة مباشرةً. وبدلاً منها نطبع القوالب [2, 3]. فالقالب هو أداة نستخدمها لصب أو ضغط المواد بداخلها لصنع الجسم الذي نريده. ربما استخدمت قالبًا لصنع شكل من الصلصال، أو رأيت شخصًا يشكِّل الشوكولاتة على شكل أرنب، أو وضعت الرمل في دلو لتشكيله على شكل قلعة. ولما كنا نطبع القوالب المستخدمة في صناعة الروبوتات لدينا بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، فيمكننا أن نشكِّلها بأي شكل نرغب فيه. فتمامًا كما نصب خليط الكعك في قالب الخبز، نصب المطاط السائل في قالب ثم نتركه يتجمد. وبدلًا من خبز المطاط، تسمى العملية بـالتصليب.

بمجرد تصلب المطاط السائل، نفتح القالب ونخرج الروبوت. والمطاط الأكثر شيوعًا المستخدم في صناعة الروبوتات المرنة هو مطاط السيليكون، وهو مطاط رخيص الثمن يمكن أن يتمدد إلى 10 أضعاف حجمه الأصلي! ويُستخدم مطاط السيليكون في منتجات مثل ملاعق الطهي وحتى لهايات الأطفال.

متى تصبح الطباعة ثلاثية الأبعاد غير مجدية؟

الطباعة ثلاثية الأبعاد ذات فائدة كبيرة لعلماء الروبوتات المرنة، إلا أن لها جوانب سلبية. تخرج الطابعات ثلاثية الأبعاد البلاستيك في شكل خطوط وتستخدم تلك الخطوط لتشكيل طبقات، كما في الشكل 1. يؤدي هذا إلى أن يكون للقالب المطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد سطح خشن عند النظر إليه عن قرب (الشكل 2A). تمامًا مثلما تعطي النتوءات الموجودة على قوالب الكعك حوافًا للكعك، فإن القوالب المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد تمنح روبوتاتنا المرنة سطحًا خشنًا يمكنك رؤيته عند النظر عن كثب. ويرجع هذا إلى أن أثر الخطوط والطبقات المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تشكِّل القالب تظهر على الروبوت. ويؤدي هذا إلى ضعف الجدران ويزيد من احتمالية انكسارها او تشققها بطريقةٍ ما (الشكل 2C) [4]. لكي تستوعب هذا الأمر، اطبع واتبع التعليمات الواردة في الشكل 3. ألم تكن الورقة ذات القطع الصغير أسهل في التمزق؟ وكان من المفترض أن تتمزق عند القطع. وذلك لأن إطالة تمزق صغير أسهل من إحداث تمزق جديد. يمكن أن تحدث هذه التمزقات دفعة واحدة، كما هو الحال مع قطع الورق، أو ببطء مع مرور الوقت، نتيجة لنفخ الروبوتات وتفريغها مرارًا وتكرارًا. وهذا هو السبب وراء تصميم أطراف أكياس الكاتشب بشكل يشبه أسنان المنشار. فكل شكل حرف ≫V≪ يمثل نقطة بداية سهلة للتمزق، مما يجعل فتح كيس الكاتشب أسهل. وهذا هو أكبر عيب في استخدام القوالب المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للروبوتات المرنة؛ أي أن النتوءات التي تتركها الطابعة ثلاثية الأبعاد توفر نقاط بداية للتمزقات. وكما ترى في الشكل 2B، يمكن أن يشبه جلد الروبوت المرن المصنوع من قالب مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى حد كبير طرف كيس الكاتشب.

كيف يمكننا صنع قوالبنا بطريقة أخرى؟

إذا لم نتمكن من طباعة القالب باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، فماذا يمكننا أن نفعل؟ هل تتذكر التصنيع الطرحي الذي أشرنا إليه في بداية هذا المقال؟ هذا هو بالضبط ما يستخدمه فريقنا [5]! فهو يحوِّل كتلة من المعدن إلى قالب بمساعدة الماكينات الآلية والأدوات الدقيقة. يُعد هذا النوع من التصنيع الطرحي أكثر دقة من الطباعة ثلاثية الأبعاد، ولكن الأهم من ذلك أنه ينتج قوالب ذات أسطح ملساء.

كما هو موضح في الشكلين 2B و D، يتميز الروبوت المرن المصنوع من قالب معدني بمرونة أكثر من الروبوت المصنوع في قالب مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. والميزة الأخرى للقوالب المعدنية هي قدرتها على إنتاج روبوتات أكثر اتساقًا. ستكون هناك اختلافات طفيفة بين كل روبوت مرن مصنوع من قالب واحد، إلا أن القالب المعدني ينتج روبوتات أكثر اتساقًا من القوالب المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وكما ذكرنا في البداية، فإن قطع قالب من كتلة معدنية مكلف ويستغرق وقتًا طويلًا، لذلك نصنع قالبًا مطبوعًا بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أولًا لاختبار فكرتنا. ويمكننا بعد ذلك إجراء تغييرات على القالب وطباعة قالب آخر. ونستمر في فعل ذلك حتى نتوصل إلى التصميم المناسب. وتعمل الروبوتات المنتجة باستخدام قوالب مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد بكفاءة كافية لتحديد التعديلات التي يجب إجراؤها على تصميم القالب. وبمجرد الانتهاء من التصميم، ننفق المال والوقت اللازمَين لتصنيع قالب معدني باستخدام الآلات. أي أننا يمكننا في البداية اكتشاف أي مشاكل في تصميمنا وحلها بسرعة قبل إنفاق الموارد اللازمة لصنع قالب معدني لروبوت أقوى.

كيف يمكنك صنع روبوت مرن

تُعد الطباعة ثلاثية الأبعاد تقنية مفيدة لعلماء الروبوتات المرنة؛ فهي تتيح لهم تجربة العديد من التصميمات بسرعة دون إنفاق الكثير من الوقت والمال. ولكنها ليست مثالية؛ فالعيوب التي تتركها في الروبوتات المرنة تجعلها أضعف. لهذا السبب، غالبًا ما نطبع تصميمات القوالب الأولية بتقنية ثلاثية الأبعاد، ثم نصنِّع القالب آليًا بمجرد الانتهاء من إجراء التغييرات. وإذا كنت ترغب في البدء في تصميم الأشياء وتصنيعها، فأمامك الكثير من الخيارات. أولًا، عند تصميم أي منتج، نستخدم برنامج كمبيوتر يتيح لنا تحويل الرسومات إلى أشكال ثلاثية الأبعاد. وهذا ما يُسمى بالنمذجة الحاسوبية. وFusion 360 هو برنامج نمذجة مجاني يمكنك استخدامه لـتصميم أي شيء تريده. ونحن نستخدم برامج مثل Fusion 360 لتصميم قوالب روبوتاتنا المرنة، ولكن يمكنك تصميم أي شيء، حتى أشياء لم تخطر ببال أحد من قبل! ويوجد برنامج آخر يُطلق عليه أداة التقطيع، هو الذي يقطِّع النموذج إلى طبقات ويحدد للطابعة ثلاثية الأبعاد مكان وضع البلاستيك. وتمتلك العديد من المكتبات والمدارس طابعات ثلاثية الأبعاد، ويمكنك طباعة تصميماتك هناك. وربما توجد أيضًا ورشة تصنيع آلي في بلدتك على استعداد لتقديم جولة تعريفية لك. إن مجال الروبوتات المرنة في تحسن دائم، مع وجود متسع كبير للتصاميم والحلول الإبداعية. والآن وقد اكتسبت بعض المعرفة عن طريقة صنع هذا النوع من الروبوتات، ربما تستخدم الطرق التي ذكرناها لصنع روبوتك المرن وتطويره!

مسرد للمصطلحات

الروبوت المرن (Soft Robot): ↑ هو روبوت يشبه في مرونته الأخطبوط على عكس الروبوتات التقليدية المصنوعة من أجزاء صلبة تشبه الخنفساء.

النموذج الأولي (Prototype): ↑ هو تصميم أولي أو بضعة تصاميم تساعد المهندسين على اختبار أفكارهم دون إنفاق الوقت والمال لبناء المنتج النهائي. من الأمثلة الجيدة على ذلك صنع مبنى من الورق المقوى لرؤية شكله قبل بناء المبنى الفعلي.

القالب (Mold): ↑ القالب هو أي جسم فارغ يمكنك ملؤه لإنشاء جسم بالشكل المطلوب. ومن الأمثلة على ذلك قوالب الصلصال والقوالب المستخدمة لصنع أرانب الشوكولاتة والدلاء لصنع القلاع الرملية.

عالِم الروبوتات المرنة (Soft Roboticist): ↑ هو شخص يعمل على تطوير الروبوتات المرنة ودراستها.

التصنيع الطرحي (Subtractive Manufacturing): ↑ هو عملية إنشاء جزء عن طريق قطع المواد الخام.

التصنيع الآلي (Machine): ↑ هو مرادف للتصنيع الطرحي؛ فتصنيع شيء بالآلة يعني تقطيع مادة لتشكيلها بالشكل المطلوب.

التصنيع الإضافي (Additive Manufacturing): ↑ هو عملية إنشاء جزء عن طريق بنائه من المواد الخام.

التصليب (Curing): ↑ يُطلق على العملية التي توضع فيها مادتين سائلتين معًا وتتصلبان ببطء. هذه العملية ليست عملية تجفيف (خروج الماء من السائل). بل ثمة تغير كيميائي يحدث عند وضع السائلين معًا مما يجعلهما يتحولان إلى مادة صلبة. ربما رأيت ذلك مع أنواع الغراء ثنائية المكونات مثل غراء الغوريلا.

إقرار تضارب المصالح

يعلن المؤلفون أن البحث قد أُجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تضارب محتمل في المصالح.

شكر وتقدير

نتوجه بالشكر إلى Cora على اقتراحاتها وتعديلاتها التي ساهمت في جعل هذا المقال سهل الفهم وممتعًا للجمهور المستهدف. وقد تلقى هذا العمل الدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم من خلال المنحة رقم: 1935312.