إدماج أجهزة الاستشعار الجاهزة للتغذية في الوقت الحقيقي في النظم الآلية البرمجية

مقدمة

و قد ظهرت نظم آلية متطورة كنوع من الآلات، وأجهزة متوافقة و غير رسمية لتحقيق مستويات غير مسبوقة من القدرة على التكيف، والسلامة، والتحلل، وخلافاً للآليات الجامدة التقليدية، يمكن للآليات الناعمة أن تتفاعل بأمان مع البشر، وتبحر في الأماكن المحصورة، وتتلاعب بالأجسام الحساسة دون ضرر، وقلب هذه القدرة يكمن الحاجة إلى استشعار مستمر يمكن أن يضاهي مرونة الأجهزة الآلية.

دور أجهزة الاستشعار البرمجية في الأجهزة الآلية

أجهزة الاستشعار الطفيفة ليست مجرد نسخ مصغرة من نظرائها الجامدة، إنها تمثل تحولاً في النموذج الذي يُدخل فيه الاستشعار إلى آلة، آلي ناعم يعتمد فقط على الرؤية الخارجية أو المحارم يكافح لالتقاط الشذوذ الناقص وقوى الاتصال التي تحكم تفاعلها مع البيئة، وأجهزة الاستشعار البرمجية تعالج هذه الفجوة من خلال توفير معلومات مباشرة متعددة الوسائط عن الكائنات الآلية.

من ريجيد إلى الاستشعار الكمبي

أجهزة الاستشعار الآلي التقليدية، وأجهزة القياس غير المتوافقة مع السائل الآلي، وأجهزة الاستشعار غير المتوافقة مع السائل الآلي، من ناحية أخرى، يتم تصميمها باستخدام أجهزة الأشعة، وأجهزة البوليمر الميكانيكية غير المتوافقة، والمعادن السائلة

السمات الرئيسية لأجهزة الاستشعار البرمجية

وتظهر أجهزة الاستشعار الناعمة الفعالة عدة خصائص حاسمة: ارتفاع القابلية للتمدد (التي غالبا ما تزيد على 100 في المائة من الضلع)، وفترات الهستيرية المنخفضة، والوقت السريع للاستجابة، والقدرة على تحمل دورات التشهير المتكررة، ويجب أن تكون متوافقة أيضا مع تقنيات الصنع مثل التخصيب، والطباعة 3D، أو التلقيح، والاستقرار الكهربائي تحت التحلل الكبير، وهو تحد آخر، حيث يمكن أن تكسر أو تشهد مسارات مقاومة متسارعة.

أنواع أجهزة الاستشعار الطفيفة ومبادئ عملها

وقد تم تكييف مجموعة واسعة من آليات التحويل من أجل إيجاد أجهزة استشعار ناعمة، حيث يوفر كل نوع مزايا ومفاضلات متميزة تبعاً لمتطلبات تطبيق الحساسية، والتمدد، والتسلسل، وسهولة التصنيع.

Piezoelectric Sensors

وتولد أجهزة الاستشعار الناعمة في بيزويليك شحنة كهربائية عندما تُشوه آلياً، وتُستخدم مواد مثل فلوريد البوليفينيلدين وأجهزة التبول في شكل سائل، وتُستخدم هذه أجهزة الاستشعار في شكل حساسية عالية، وتحتفظ هذه أجهزة الاستشعار بكشف الأحداث الدينامية - التأثيرات، والتغيرات السريعة في الضغط - ولكنها أقل ملاءمة للكشف عن الارتدادي أو البطيء التحلل بسبب التسرب.

أجهزة الاستشعار الاقتصادية

ويقاس الاستشعارات الناعمة الكفاءات التغيرات في القدرة الناجمة عن التباين في الفصل الكهربائي أو المنطقة أو الخواص الديولوجية تحت التحلل، ويتكون التصميم النموذجي من طبقة سلوكية قابلة للتمديد تفصل عن طريق جهاز قياسي للديلاك، وهذه الحساسات شديدة الدقة، وتدني القدرة، وقادرة على استشعار كل من القدرة الثابتة والدينامية على كشفها، وهي تستخدم على نطاق واسع لرسم خرائط الضغط، والاستشعارات التي تفصل بين المناطق الكبيرة.

أجهزة الاستشعار الرجعية

وتعتمد أجهزة الاستشعار الناعمة الارتدادية على التغيرات في المقاومة الكهربائية عندما يكون جهاز الاستشعار ممتدا أو مضغطا أو ملتويا، وتشمل النهج المشتركة مزيج المشغلات السلوكية - النانووبات الكربونية، والسندات النانوية الفضية، أو البوليمرات القابلة للضغط، وحيث أن التحلل المادي، فإن شبكة المشغل تبدل مساراتها التراكمية، مما يؤدي إلى تغيير في درجة الحرارة الخافضة.

أجهزة الاستشعار الضوئية

وتستعمل أجهزة الاستشعار الضوئية الناعمة النور من خلال الموجات الموجية أو الألياف البصرية التي تجسد في منحدر، وتتسبب التشهير في حدوث تغييرات في كثافة الضوء أو الموجات أو المرحلة بسبب الإقراض أو التمدد أو الضغط، وتمنح هذه أجهزة الاستشعار الحصانة للتدخل الكهرومغناطيسي، والحساسية العالية، واحتمالات تعدد نقاط الاستشعار على طول موجة واحدة.

طرائق الاستشعار الناشئة

وبالإضافة إلى هذه الفئات الرئيسية الأربع، يقوم الباحثون باستكشاف أجهزة الاستشعار المغناطيسية الناعمة التي تكشف عن التغيرات في ميدان مغناطيسي مثل تشوهات أجهزة الاستشعار، وكذلك أجهزة الاستشعار الثلاثية الفلك التي تولد فولت من كهربة الاتصال، كما أن كل طريقة جديدة تهدف إلى التغلب على قيود محددة مثل الحاجة إلى الطاقة الخارجية أو القدرة على التعرّض للسخرة وتوسيع قدرات الاستشعار للآليات الآلية غير الميسرة.

تحديات التكامل وحلوله

ويطرح إدخال أجهزة الاستشعار اللينة إلى نظام آلي مجموعة من التحديات الهندسية التي تتجاوز المواد المستشعرة نفسها، ويتطلب التكامل الناجح اهتماماً دقيقاً بالجوانب الميكانيكية والكهربائية واللغوية.

المقارنات المادية

مواد الاستشعار يجب أن تترابط بشكل موثوق مع الازدهارات الهيكلية للآليين، والاختلافات في التكهن، والارتفاع الحراري يمكن أن تؤدي إلى الإنزال أو التركيزات الإجهادية أثناء التحلل المتكرر، وكثيرا ما يستخدم الباحثون مضاعفات قاعدية متطابقة أو متشابهة كيميائيا للمجسّس وجسد الروبوت، أو استخدام معالجات سطحية لتحسين التسخين.

تحديد الهوية والإلمام

وكثيرا ما تكون إشارات الاستشعار الناعم ضعيفة ومعرضة للضوضاء من التدخل الكهرومغناطيسي، والهزات الميكانيكية، وتقلبات درجات الحرارة، كما أن الترابطات والأسلاك الثابتة هي نفسها عرضة لتغييرات المقاومة التي يمكن أن تلوث قراءة أجهزة الاستشعار، وتشمل الحلول التكتل على متنها وتحويلات الأسطوانات المشابهة إلى أرقام باستخدام أجهزة إلكترونية مرنة، فضلا عن تقنيات القياس غير المتجانسة التي تلغى تدريجيا.

معايرة ومصفوفة

وكثيرا ما تظهر أجهزة الاستشعار الطفيفة سلوكا غير خطي، وهستيريز، وينحرف بمرور الوقت بسبب استرخاء المواد أو التغيرات البيئية، ويجب أن تشكل إجراءات المعايرة النطاق الكامل لتشوهات الإنسان ودرجات الحرارة التي سيواجهها الإنسان الآلي، كما أن تقنيات التعلم الآلات، مثل الشبكات العصبية التي يتم تدريبها على مجموعات البيانات الكبيرة، يمكن أن تُعدّل استجابات الاستشعار المعقدة وتعوض عن الانجراف في الوقت الحقيقي.

نقل السلطة والبيانات

إن تشغيل الأسلاك إلى أجهزة الاستشعار اللينة يمكن أن يخلق نقاطاً متشددة تهزم هدف اللينة، وجني الطاقة اللاسلكية ونقل البيانات باستخدام الهوائيات القابلة للتمديد أو الاتصالات القريبة من الحقول هي بدائل واعدة، وقد أثبت الباحثون وجود أجهزة استشعار غير سلكية وغير مجهزة بالبطارية، تستمد الطاقة من حقول التردد اللاسلكية المحيطة أو من حركة الروبوتات الخاصة، وتحافظ على وصلة لاسلكية موثوقة من خلال التشهير.

التغذية الرجعية للتحكم والتعلم

التغذية العكسية من أجهزة الاستشعار اللينة لا تتعلق فقط بجمع البيانات، بل تتيح التحكم في الصوت المغلقة التي تكيف أعمال الروبوت على أساس حالتها و بيئتها المباشرتين، وهذه الحلقة المرتدة ضرورية لمهام مثل الإمساك بالأجسام الهشة، أو المشي على التضاريس غير المتساوية، أو القيام بمناورات جراحية حساسة.

استراتيجيات الرقابة على البرامج المغلقة

يمكن تكييف أجهزة التحكم التقليدية المتناسبة والمتكاملة للآليات اللينة باستخدام ردود فعل الاستشعار، ولكن الديناميات غير المباشرة والوقتية للهياكل اللينة غالبا ما تتطلب نهجا أكثر تطورا.

دال - نُهج الـ ديريفين

فالتعليم الصاخن يوفر بديلا قويا للنمذجة الصريحة، ويمكن للشبكات العصبية أن تتعلم رسم الخرائط من قراءات الاستشعار إلى الدولة الآلية مباشرة من البيانات التجريبية، فعلى سبيل المثال، يمكن لشبكة عصبية متكررة أن تقدر وضع ذراع متتابعة ناعمة من أجهزة الاستشعار المضللة، مما يتيح مراقبة الوضع بدقة دون نموذج رياضي، كما أن التعلم من أجل الإنفاذ قد طبق على الأجهزة الآلية غير الملزمة التي تتعلم من الاتجاهات السائلة.

تطبيقات النظم المتكاملة لأجهزة الاستشعار

وقد أتاح تقارب أجهزة الاستشعار الناعمة والارتداد في الوقت الحقيقي طائفة واسعة من التطبيقات عبر الصناعات، من الصناعة التحويلية إلى الرعاية الصحية إلى الاستكشاف.

المحتالون والمناولة

ويمكن للرقيقات السائلة المجهزة بضغوط ومستشعرات ضلع متكاملة أن تلتقط برفقة أجسام من أشكال وجمود مختلفة دون معرفة مسبقة، وتسمح التغذية المرتدة بالحساسية للحزن بأن يضبط قوة قبضته دينامية، ويمنع الضرر الذي يلحق بأصناف هشة مثل الفواكه أو المضارب المعملية، وفي التشغيل الآلي للمخازن، فإن هذه الحفارزات تقل النفايات وتزيد من خلال الصنع.

الأجهزة المساعدة المرهقة

الازدهار الكهربي والفروم الاصطناعية تعود بالنفع على الإستشعار المدمج، أجهزة الاستشعار عبر البدلة تكتشف الزوايا المشتركة و النشاط العضلي، بينما أجهزة الاستشعار الضغط في الواجهة الداخلية تُقلل من قدرة المُساعدة على التكيف،

الأجهزة الطبية والجراحية

ويتزايد استخدام الروبوتات الطفيفة في عمليات جراحية متغطرسة إلى حد أدنى حيث يمكن أن تبحر عبر مسارات الجسم المتوحشة دون أن تدمر الأنسجة، وتزود أجهزة الاستشعار بالرقائق الجراحية بتعليقات مضللة فيما يتعلق بتشوه الأنسجة، وقوات الاتصال، وتشوه الأدوات، وهذه المعلومات حاسمة في تنفيذ إجراءات حساسة مثل جراحة الأندية أو خزعيط الدم.

الاتجاهات المستقبلية

إن مجال التكامل الناعم للأجهزة الاستشعارية يمضي بسرعة، ويقوده الابتكارات في مجالات علوم المواد والإلكترونيات والاستخبارات الاصطناعية، ومن المرجح أن تشكل عدة اتجاهات واعدة الجيل القادم من النظم الآلية المرنة، وأن تؤدي أجهزة الاستشعار ذاتية التعبئة التي يمكن أن تصلح قطعاً ودموعها إلى تحسين كبير في قابلية التكرار وتقليل الصيانة.

خاتمة

إن إدماج أجهزة الاستشعار اللينة في التغذية المرتدة في الوقت الحقيقي هو حجر الزاوية في الروبوتات الحديثة الناعمة، وبإدماج عناصر الاستشعار المتوافقة مباشرة في هيكل الروبوت، يمكن للمهندسين أن يحققوا مستويات من السيطرة والسلامة والقدرة على التكيف التي كانت غير مستدامة في السابق، وعلى الرغم من أن التحديات المتصلة بالقدرة على التكرار، وتجهيز الإشارات، والتوافق المادي، فإن التقدم السريع في مجال الإلكترونيات المرنة والتعلم الآلات يقدم حلولا عملية.

For further reading, refer to comprehensive reviews on soft sensor technologies (see npj Flexible Electronics) research efforts at leading laboratorys such as the ]Harvard Softotics Initiative, and recent advances in Frontiers A in Robotics]