أجهزة آلية وأجهزة استخبارات فنية: إنشاء أجهزة أكثر حزماً

ويدل تقارب الروبوتات اللينة والاستخبارات الاصطناعية على تحول محوري في كيفية تصميم الآلات وبنائها ونشرها، بدلا من الاعتماد على الأطر الصلبة، والمفاصل المحددة، وتسلسلات ما قبل البرمجة، ويستخدم جيل جديد من الروبوتات مواد متوافقة، والاستشعار المدمج، وتعلم مقاييس دقيقة للعمل في بيئات غير منظمة ودينامية، وهذا الانسجة لا يصلح فقط للتحسين التدريجي.

وتستكشف هذه المادة أساسيات الروبوتات اللينة، ودور منظمة العفو الدولية في تمكين هذه الآلات المرنة، وتطبيقات العالم الحقيقي التي تستخدم بالفعل، وحدود البحوث التي تعد بقدر أكبر من القدرات في العقد القادم.

ما هو الروبوتات الصغيرة؟

والروبوتات الصغيرة هي حقل فرعي يبني روبوتات من مواد ذات خصائص ميكانيكية مماثلة لل الكائنات الحية، بدلا من معدات المعادن، والسيفورات، والروابط الصلبة، والآليات الناعمة تستخدم القاع، ومطاطات السيليكون، والهيدروجيلات، وبوليمرات الشكل، ويمكن لهذه المواد أن تمتد، وتلتوى، وتضغط، مما يتيح التحلل المستمر بدلا من التشهير المشترك المضني.

الدافع الأساسي هو الإلهام البيولوجي، فالأحياء مثل الأخطبوط، وصناديق الفيل، ودود الأرض يمكن أن تتلاعب بالأجسام، وتبحر في الأماكن المحصورة، وتكيف شكلها على الفور، ويسعى البشر الآليون إلى تكرار ذلك التكيّف، فعلى سبيل المثال، لا توجد عظام في ذراع الأخطبوط، ويمكن أن ينحني في أي مرحلة من طوله، وهي درجة حرّية لا يمكن أن يضاها المنابر الصلون الصلون الجامدون التقليديون.

المواد الرئيسية وأساليب التصويب

يعتمد الروبوتات الناعمة على عدة آليات للاختراع:

• هذه هي الأساس لآلات الإكتوار الشهير "الشبكة المغناطيسية" التي طورها الباحثون في معهد (هارفارد) للوابيس
• Shape-memory alloys (SMAs): ] Metals like Nitinol change shape when heated and return to their original form when cooled. Embedded SMA wires can act as artificialعضلات, contracting and chilling to move soft structures.
• Dielectric elastomer actuators (DEAs): ] These are flexible capacitors that expand when voltage is applied. They can produce rapid, large strains and are being explored for high-speed softroids.
• ]المُحدّثات الحرارية والكيميائية: Some materials expand or contract in response to temperature or pH changes, enabling motion without external power sources.

ويتوقف اختيار المواد والمحاضر على الطلب، وبالنسبة للأجهزة الطبية، فإن السمايكونيات القابلة للتنافس البيولوجي ضرورية بالنسبة للمقبضين الصناعيين، والقابلية للدوامة، والحياة الدورية أكثر، ومع ذلك فإن الروبوتات الناعمة تتقاسم فلسفة التصميم الأساسية: فالامتثال هو سمة وليست حشرة.

دور الاستخبارات الفنية

بينما توفر المواد اللينة الجسم، فإن الذكاء الاصطناعي يوفر الدماغ، فالآلي الناعم بدون ذكاء سيكون مثل سمكة الهلام، قادرة على التشهير السلبي، ولكن غير قادرة على تنفيذ أعمال ذات هدف.

إن التحديات تختلف عن التحديات التي تواجه الإنسان الآلي المتشدد، فالذراع الناعم له درجات حرية لا نهائية نظرياً، إذ أن نموذج سلوكه معادلة الفيزياء التقليدية أمر صعب للغاية، ويتوقف شكل الروبوت على تهذيبه، وعلى قوى خارجية، وعلى الجاذبية، والاتصال بالأجسام، وكلها تتفاعل بطرق غير خطية.

وتعالج منظمة العفو الدولية هذا من خلال النهج القائمة على البيانات، ويمكن لنماذج التعلم الآلاتي، ولا سيما الشبكات العصبية العميقة وأجوريات التعلم المعززة، أن تتعلم رسم الخرائط بين مدخلات المراقبة والحركات الناتجة دون اشتراط نموذج مادي صريح.

التعلم من التفاعل

ويعمل خط أنابيب تدريب مشترك على النحو التالي: يجهز آلي ناعم بمجسات مثل قياسات الضغط أو أجهزة استشعار الضغط أو آلة تصوير توجه إلى جسده، ويؤدّي آلاف التسلسلات العشوائية أو المرشدة للتصوير مع تسجيل النتائج، وتتعلم شبكة عصبية التنبؤ بالشكل أو القوة الناتجين عن مجموعة معينة من الضغوط المُصوِّرة، ويمكن استخدام هذا النموذج في التحكم، مما يتيح للآليين الوصول إلى القوة المنشودة.

ويواصل هذا الأمر التعلم من أجل تعزيز القدرات، ويتفاعل الآلي مع بيئته، ويتلقى المكافآت أو العقوبات استنادا إلى نجاح المهمة، ويكتشف تدريجيا استراتيجيات الرقابة التي تعمل، وقد أثبت الباحثون في مختبر علوم وأجهزة الاستخبارات الفنية التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن يمسكوا بالأجسام غير المسموعة بعد بضع محاكمات، مما يعدل استراتيجية قبضتهم في الوقت الحقيقي.

التصورات الأولية والاندماج في أجهزة الاستشعار

فالأرواب الآلية الجامدة التقليدية تستخدم في كثير من الأحيان أجهزة الترميز وأجهزة الاستشعار العطرية في كل مفاصل، والآلات الصغيرة تحتاج إلى استشعار موزع يمكن أن يقيس التشوه عبر جسم مستمر، وتشمل التطورات الأخيرة ما يلي:

• Embedded microchannels filled with conductive liquid:] When theroids, the channel geometry changes, altering electrical resistance. This provides a signal proportional to strain.
• يمكن لباغ البرج أن يكتشف تغيرات دقيقة في النسيج على طول ألياف مُتجَرَّبة في الجسم الآلي.
• الاستشعار القائم على الاصطدام: ] يمكن للكاميرات الخارجية أو الكاميرات الداخلية التي تنظر إلى سطح مُنطَّب أن تقدر شكل 3D من خلال قياس الصور أو التعلم العميق.

هذه المحركات المستشعرة تتغذى على نماذج أجهزة الاستخبارات التي تعطي الإنسان الآلي إحساساً بجسده الخاص، المعروف باسم التصورات المباشرة، وبالجمع مع التعليقات الخارجية من الكاميرات أو أجهزة الاستشعار التي تعمل بالقطع، يمكن للروبوت أن يغلق الحلقة بين التصور والعمل.

الفوائد الرئيسية للآليات البرمجية والآليات المدمجة

ويخلق الجمع بين المواد المتوافقة والتحكم الذكي قدرات لا يمكن لأي من التكنولوجيا أن تحقق وحدها، وهنا تتمثل المزايا الرئيسية في ما يلي:

تعزيز المرونة والقابلية للاعتماد

يمكن للآليات الصالحة أن تتوافق مع أشياء غير معروفة الشكل، وأن تقبض على المواد الهشة دون سحقها، وأن تبحر البيئات المتناثرة بالضغط من خلال الثغرات، وتعزز هذه العملية بجعل الروبوت يكيف استراتيجيته في الوقت الحقيقي عندما يواجه أشكالا أو سطحا غير متوقعة، وقد يحتاج الحزن الصناعي التقليدي إلى تغيير في التعامل مع منتج مختلف؛ ويعادل الحزن المتساهل والمدفوع بالآي تلقائيا.

تحسين السلامة للتفاعل البشري

والتخلف الميكانيكي المنخفض للمواد اللينة يعني أن الإصطدامات أقل احتمالاً أن تسبب إصابات، وعندما يقترن ذلك بمنظمة العفو الدولية التي ترصد القرب والنية، يمكن لهذه الروبوتات أن تعمل جنباً إلى جنب مع البشر دون أقفاص الأمان الثقيلة اللازمة للآليات الصناعية التقليدية، وهذا يفتح التعاون بين البشر والأعباء في أماكن مثل التجمع والسوقيات وحتى الرعاية المنزلية.

الاستقلالية والتعلم

وتتيح منظمة العفو الدولية للآليات اللينة تحسين الخبرة، بل يمكن إعادة برمجتها لكل مهمة جديدة، أن تتعلم من المظاهرات أو المحاكمة والخطأ، وهذا أمر له قيمة خاصة في البيئات التي تكون متغيرة جداً في مرحلة ما قبل البرمجة، مثل التفتيش تحت الماء، والزراعة الميدانية، ومناطق الكوارث.

النطاق الأوسع لبيئات التطبيقات

والآليات الصالحة للسرقة هي أفضل ملاءمة للبيئات التي تكافح فيها الآلات الصلبة: داخل الجسم البشري، في بيئات متآكلة أو مفترسة، أو في أماكن محدودة الوصول، أو في التطبيقات التي تتطلب لمساً لطيفاً، وتمتد هذه المسافة بإعطاء الآلية المعلوماتية لمعالجة عدم اليقين، والظروف المختلفة، وصنع القرار المعقد.

التطبيقات العالمية الحقيقية

وقد تجاوزت هذه التكنولوجيات مختبرات البحوث إلى الاستخدام العملي، وهنا بعض المجالات الأكثر تأثيراً في التطبيقات.

الرعاية الصحية والروبوتات الطبية

فالآليات الصغيرة تشق طريقها إلى الجراحة وإعادة التأهيل والأجهزة المساعدة، وفي الجراحة الغزيرة إلى حد أدنى، يمكن لأداة صلبة أن تلحق الضرر بالنسيج إذا ما مارست الكثير من القوة، ويمكن للسرقة، والأدوات المتوافقة مع الرقابة التي تساعدها منظمة العفو الدولية أن تبحر حول الأعضاء، وأن تطبق قوات خاضعة للرقابة بدقة، وأن تقلل من الصدمات النفسية.

إن مفاصل إعادة التأهيل التي يتم صنعها من المنسوجات اللينة بدلاً من الأطر الصلبة يمكن أن تساعد المرضى الذين يعانون من إعاقة في الحركة، تقوم الخوارزميات بتعديل مستويات المساعدة استناداً إلى مظهر المريض وضغطه، ولا تقدم الدعم إلا عند الحاجة، مما يعزز أنماط الحركة الطبيعية ويزيد من سرعة الانتعاش.

ويجري أيضا استكشاف الشراك الآلية الناقصة، ويقوم الباحثون بتطوير مُلَكات غير مُتقنة يمكن زرعها حول القلب للمساعدة في الضخ، مع نظم التحكم التي تتزامن مع الإيقاعات القلبية الطبيعية.

الزراعة ومعالجة الأغذية

ولا يزال يُجني من الثمار اللينة مثل التوت، والطماطم، والوخزات، إلى حد كبير من اليد البشرية لأن المقابض الآلية التقليدية تلحق الضرر بالمنتج، ويمكن للمقابضين الناعمين بنظم رؤية آي أن يحددوا الفاكهة الناضجة، وأن يتعاملوا معها بالتوجه الصحيح، وأن يمسكوا بها بقوة كافية لالتقاطها دون كدمات، وقد قامت شركات مثل شركة " Soft Robotics Inc " بتسويق " بتسويق هذه النظم لأغراض معالجة الأغذية وتعبئة الأغذية وتعبئة النفايات وتعبئة الأغذية.

وبالإضافة إلى الحصاد، تستخدم الروبوتات اللينة في تفتيش النباتات، والاقتراع، وإزالة الحشيش، وقدرتها على الانتقال من خلال الرغوة الكثيفة دون إلحاق الضرر بالمحاصيل، تجعلها مثالية للزراعة الدقيقة.

التصنيع والجمعية

وتتزايد اشتمال بيئات التصنيع على إنتاج عالي المستوى من حيث التقلبات، منخفض الحجم، حيث تكون التشغيل الآلي التقليدي غير مرن، ويمكن للسرقة، والقبضات التي يقودها آي أن تعالج مجموعة واسعة من الأجزاء، من المكونات الإلكترونية الحساسة إلى الصبغة المعدنية الثقيلة، دون تغيير في الأدوات، مما يقلل من وقت التغيير ويتيح خطوط إنتاج أكثر هدوءا.

ويستخدم الروبوتات الصالحة أيضاً في المهام التي تنطوي على الامتثال، مثل إدخال برميل في حفرة تتسم بالتسامح الشديد، ويعوض امتثال الجهاز الآلي بطبيعة الحال عن حالات سوء السلوك الطفيفة، بينما تتعلم منظمة العفو الدولية الطريق الأمثل لتقليل قوات الإدخال إلى أدنى حد.

البحث والإنقاذ

مناطق الكوارث غير قابلة للتنبؤ، فالأماكن المطاطية والمحصورة والأسطح غير المستقرة تجعل من الصعب على الآليين المتحركين أو المزودين بأجهزة صلبة العمل، ويمكن للآليات الصغيرة، التي تستمد من الديدان والأفاعي، أن تزحف من خلال فتحات صغيرة، وأن تغير شكلها لتلائم البيئة، وأن تتحمل الآثار التي من شأنها أن تكسر الآلات الصلبة.

وتسمح منظمة العفو الدولية لهؤلاء الروبوتات بالاستكشاف المستقل، وترسم خرائط لضواحيهم، وتحديد الناجين الذين يستخدمون أجهزة الاستشعار على متن السفن، لأنهم ناعمون، ويقللون من خطر الأفراد المحصورين إذا حدث اتصال، وقد طور الباحثون في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، روبوتات لينة يمكن أن تسبح وتزحف وتتسلق وتستخدم التعلّم على تعزيزات لاختيار أفضل طريقة للسكن في التضاريس.

تقنية عميقة: كيف تعلمت سرقة الروبوتات التحكم في القاذورات

فالتحكم هو التحدي الرئيسي في الروبوتات اللينة، وخلافاً لذراع صلب مع ستة مفاصل، حيث يكون الحيز الحكومي 12 ديمنسياً (مكان وسرعة كل مشترك)، يوجد روبوت متصلب ذي مكان حكومي، وهو من حيث المبدأ غير محدود، وحتى بعد التفكك، فإن عدد درجات الحرية هو أوامر تفوق حجم النظم المتشددة.

النهج النموذجية

وقد حاولت الجهود المبكرة بناء نماذج تحليلية تستند إلى ميكانيكيات متصلة، ومن شأن نظرية الأشعة فوق البيرانولي، ونظرية جوزيرات، وأساليب العناصر المحدودة أن تحاكي شكل الروبوتات اللينة تحت حمولة معينة وتكسيرها، وهذه النماذج مفيدة في التصميم والمحاكاة ولكنها مكلفة حسابيا وغير دقيقة في كثير من الأحيان في الوقت الحقيقي بسبب عدم وجود خطوط أو هستيرية مادية.

النهج النموذجية الخالية من البيانات ونهج الـ ديريف

وقد تحول الاتجاه نحو مراقبة خالية من النماذج، ومحركة البيانات، ويمكن للشبكات العصبية أن تتعلم رسم الخرائط من أوامر التكوين إلى ما ينتج عن ذلك من شكل أو نقطة نهاية مباشرة من البيانات، ويستخدم هيكل مشترك شبكة عميقة من طبقة مخفية، مدربة على آلاف من الأزواج المسجلة للاختبارات، وتسير الشبكة بسرعة كافية للتحكم في الوقت الحقيقي، وكثيرا ما تكون بمعدلات كيلوهرتز في المعدات المثبتة.

تعزيز التعلم في المهام المعقدة

وبالنسبة للمهام التي تتطلب اتخاذ قرارات متتابعة، مثل فهم موضوع ما ثم وضعه في موقع مستهدف، فإن التعلم من أجل التعزيز هو أمر طبيعي، ويتفاعل الروبوت الليني مع بيئته، ويكيف خوارزمية RL سياستها لتعظيم الإشارة إلى المكافآت، ويتمثل التحدي الرئيسي في كفاءة العينات: فالآليات اللينة غالبا ما تكون ذات امتثال كبير وديناميات بطيئة، مما يعني أن آلاف التجارب في العالم الحقيقي يمكن أن تستغرق ساعات أو أياما.

ولسرعة التعلم، يستخدم الباحثون المحاكاة، إذ يمكن أن تولد بسرعة ملايين من الدراية الفنية، وتُدرَّب السياسة على المحاكاة ثم تُنقل إلى الإنسان الآلي الحقيقي، ويُستعان بها عشوائيا، حيث تتباين معايير المحاكاة تباينا كبيرا أثناء التدريب، مما يساعد على تعميم السياسة على التلاعب الخاطئ في العالم الحقيقي.

النقل من مرحلة إلى أخرى

ولا يزال نقل السياسات المتعلّقة من المحاكاة إلى الواقع مجالاً بحثياً نشطاً، إذ أن المواد البرمجية تصنّع التسامح وترتدي مع مرور الوقت، مما يؤدي إلى اختلافات بين السلوك المحاكا والسلوكي الحقيقي، وكثيراً ما يكون التكيّف الحسن في الروبوت الحقيقي مع عدد قليل من التجارب الإضافية كافياً لسد الفجوة، وثمة نهج آخر هو التكيّف على الإنترنت، حيث يُحدّث الآلي باستمرار نموذجه أو سياسته استناداً إلى بيانات جديدة، ويتعلّم بفعالية على العمل.

التحديات والحدود

ورغم التقدم السريع، يواجه الإنسان الآلي الليني مع منظمة العفو الدولية عقبات كبيرة قبل أن يصبح نظام التشغيل الآلي التقليدي مكتظاً بالطابع الشائع.

مدة الخدمة والخدمة

المواد الصالحة للشرب أكثر عرضة للارتداء والدموع والتعب من المعدن أو البلاستيك الصلب، ويمكن أن يؤدي التحلل المتكرر في السلالة العالية إلى شقق أو تطهير أو فقدان للذراع، كما أن تحسين طول المواد من خلال الازدهار الجديد، أو البوليمرات ذاتية التلقيح، أو المعاطف الواقية، يشكل أولوية بحثية مستمرة.

التعقيد والاعتماد

والمرونة التي تعطي الروبوتات اللينة ميزة لها تجعلها أيضا صعبة السيطرة على وجه الدقة، فالهيستريس، والزباب غير الخطي، والحساسية إزاء درجة الحرارة، كلها عوامل معقدة، وبالنسبة للتطبيقات الحرجة مثل الجراحة أو التحكم في الطيران، يجب أن تكون الموثوقية عالية بشكل استثنائي، وأن إثبات إمكانية الاعتماد على جهاز التحكم المدفوع بالبيانات أمر صعب.

كفاءة الطاقة والطاقة

فالآليات الناعمة الناعمة الناعمة تتطلب مضخات وضغطات وصمامات تضيف السائبة والضوضاء واستهلاك الطاقة، ويمكن أن تكون الذرّات الديليكتريّة والسبائك المكوّنة أكثر كفاءة من حيث الطاقة، ولكنها تتطلب في كثير من الأحيان دواما حراريا كبيرا، ولا تزال الروبوتات اللينة التي تعمل بالطاقة البطارية والتي لا تُستُطَعَفَدَدُ طول مدة البعثة.

التصنيع والتقسيم

ويجري حالياً تطوير معظم الروبوتات اللينة التي تجمع يدوياً أو تُلقى في العفن. ويجري تطوير عمليات التصنيع المتصاعدة، مثل الطباعة 3D للهياكل الميسرة المتعددة المواد أو الطبقات الآلية، ولكنها لم تنضج بعد، مما يحد من الاعتماد التجاري إلى أحجام منخفضة نسبياً.

التكامل مع النظم القائمة

ولا يلائم الروبوتات الحسنة بدقة البنية التحتية الحالية للصناعة أو اللوجستية، التي تصمم حول التشغيل الآلي الجامد، ويجب تكييف الوصلات بين الأوجه والقبضات وبروتوكولات الاتصال، كما أن مجموعة برامجيات " آي " تحتاج أيضا إلى الاندماج في نظم الرقابة القديمة، التي قد تتطلب استخداماً في إطار الإطار المتوسط.

التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية

ويتقدم الميدان على جبهات متعددة، ويعود العقد المقبل بمعالجة العديد من القيود الحالية.

المواد المتقدمة

ويجري تطوير أجهزة التلقيح الذاتي، وأجهزة البوليمر المتحركة ذات أوقات الاستجابة السريعة، والمواد ذات الحساسية المتغيرة (عن طريق التشويش، أو التدفئة، أو الحقول الكهربائية)، والآلي الذي يمكن أن يكون ليناً في الإدراك والجمود لممارسة القوة من شأنه أن يجمع بين أفضل العالمين.

الاستخبارات المدمجة والحساب الإلكتروني

وبدلا من الاعتماد على حاسوب نائي، فإن الآليين اللينيين في المستقبل سيحملون مجهزين على متن السفن قادرين على تشغيل شبكة العزل، فالأجهزة المتناهية الصغر ذات الطاقة المنخفضة والمعجلات المتخصصة في مجال التنفيذ تجعل هذا الأمر ممكنا بالفعل، وهذا سيمكن من التشغيل المستقل وغير المعالج.

التنسيق المتعدد القوارب

ويمكن أن يعمل جهاز الإنذار بالآليات الصغيرة الناعمة معاً في مهام مثل الرصد البيئي أو البناء أو الاستكشاف، ويمكن أن تقوم الخوارزميات المتعلقة باتخاذ القرارات الجماعية، على غرار تلك المستخدمة في المستعمرات الحشرية، بتنسيق العشرات أو مئات من الروبوتات اللينة البسيطة لتحقيق أهداف معقدة.

التواؤم البيولوجي والتكامل الطبي

ويمكن للآليات الصالحة التي تتفق تماما مع الجسم البشري، بما في ذلك النسخ القابلة للتحلل الأحيائي، أن تؤدي وظائف علاجية مؤقتة داخل الجسم ثم تحلل، ويمكن لنظم مكافحة الآفات التي تتفاعل مع الإشارات العصبية أن تمكن الأطراف الاصطناعية التي تسيطر عليها المخ من الحركة الطبيعية الناعمة.

الاعتبارات الأخلاقية والمجتمعية

ونظراً لأن الروبوتات اللينة تصبح أكثر قدرة واستقلالية، فإن مسائل السلامة والمساءلة والتشريد الوظيفي تصبح ملحة، ومن الضروري وضع معايير للتصميم والاختبار الآمنين للنظم الآلية اللينة، ومن الضروري اتخاذ قرارات شفافة بشأن التنفيذ، ولا سيما للآليات العاملة في الأماكن العامة، من أجل الثقة العامة.

خاتمة

فالآليات الآلية والذكاء الاصطناعي معاً تنشئ مجموعة جديدة من الآلات الأكثر قدرة على التكيف وأكثر أمانا وأكثر قدرة من الروبوتات الجامدة التقليدية، إذ إن هذه النظم، من خلال الاستلهام من البيولوجيا واستخدام الرقابة على البيانات للتغلب على تحديات الامتثال، تتيح تطبيقات في مجالات الرعاية الصحية والزراعة والصناعة التحويلية والاستجابة للكوارث التي كانت بعيدة المنال في السابق، وفي حين أن التحديات الكبيرة لا تزال قائمة في مجال الاستدامة، والتحكم، والتصنيع، والتكامل، فإن مسارات البحثية هي واضحة.