الأثر البيئي للروبوت الصناعية والتصنيع المستدام

وقد أدى الاعتماد السريع للآليات الصناعية عبر قطاعات الصناعة التحويلية في جميع أنحاء العالم إلى تحقيق مكاسب غير مسبوقة في الإنتاجية، والدقيق، والكفاءة التشغيلية، حيث بلغت الشحنات العالمية للآليات الصناعية أكثر من 000 500 وحدة سنويا في السنوات الأخيرة، مع وجود منشآت رئيسية في صناعات السيارات والإلكترونيات والصناعات المزودة بغازات معدنية، ومع ذلك فإن عدد السكان الآليين الذين يزرعون في المشروع أكثر من 4 ملايين وحدة عاملة بحلول عام 2025 - وهو ما يتطلب فحصا لبتها البيئية.

وتبحث هذه المادة الأثر البيئي المزدوج للآليات الصناعية: الطرق التي تسهم بها بالفعل في إنتاج أخضر، والتحديات التي تطرحها، والاستراتيجيات والتكنولوجيات الأكثر واعدة لتحقيق التشغيل الآلي المستدام حقا، ومن استخراج المواد الخام إلى التخلص من نهاية العمر، تتيح كل مرحلة من مراحل حياة الإنسان فرصا للتحسين، ولكل من المصنعين والمهندسين والمربين دور في توجيه الصناعة نحو تعميم منخفض،

Positive Environmental Contributions of Industrial Robots

وعندما يتم نشر الروبوتات الصناعية بطريقة مدروسة، يمكن أن تقلل كثيرا من العبء البيئي الناجم عن التصنيع، إذ إن قدرتها على تنفيذ المهام بدقة عالية وقابلية للتكرار تؤدي مباشرة إلى خفض النفايات في العمليات التي تتطلب كثافة مادية مثل الرسم والحام والتجمع.

فعلى سبيل المثال، تطبق الأسلحة الآلية في محال الطلاء بالتساوي وتضبط أنماط الرش في الوقت الحقيقي، مما يقلل من الرش المفرط بنسبة 30 إلى 50 في المائة مقارنة بالطرق اليدوية، وهذا لا ينقذ الطلاء والمذيبات فحسب، بل يخفض أيضا انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة، وفي عمليات التجهيز المعدنية، فإن الآليين المجهزين بأجهزة استشعار القوة ونظم الرؤية يُفضيان إلى الحد الأدنى من المواد الخردة التي قد تتطلب بخلاف ذلك إعادة تدويرها.

(ب) كفاءة الطاقة إيجابية أخرى، ويمكن للآليات الصناعية أن تعمل 24/7 دون أن تُسبَّب في الإهدار، مما يتيح للمصنعين إدارة خطوط الإنتاج بأقل كثافة خلال ساعات العمل وتجنب ارتفاع أسعار الطاقة المرتبطة بالتغييرات اليدوية، وعلاوة على ذلك، يستخدم الآليون الحديثون نظماً متجددة للضغط تلتقط وتعيد استخدام الطاقة الحركية أثناء التباطؤ، مما يقلل من استهلاك الكهرباء الصافي بنسبة تصل إلى 20 في المائة في التطبيقات العالية الدورة.

وفي قطاعات مثل تجهيز الأغذية والصيدلة، يقلل الروبوت من الحاجة إلى التدفئة والتبريد والتعقيم في مناطق الإنتاج عن طريق التمكين من تدفق العمل المغلق والآلية بأقل قدر من التدخل البشري، مما يلغي عقوبة الطاقة التي تفرض على تكييف كميات كبيرة من الهواء لراحة الإنسان مع الحفاظ على معايير دقيقة للنظافة الصحية، ويمكن أن يكون الأثر التراكمي في جميع المصانع انخفاضاً بنسبة تتراوح بين 15 و25 في المائة في الاستخدام الكلي للطاقة في المرفق، وفقاً لدراسات الحالات الإفرادية من [[FL]:

التحديات البيئية التي تواجه الروبوتات الصناعية

وعلى الرغم من هذه الفوائد، فإن إنتاج وتشغيل وتصريف الروبوتات الصناعية يكلف تكاليف بيئية كبيرة لا يجب تجاهلها، ويبدأ كل آلي حياته كتجمع معقد للمعادن - البخار والألومنيوم واللدائن، وكلها تتطلب استخراجاً كثيفاً للطاقة، وتكريراً، وتشكيلاً، ويمكن أن تتجاوز الطاقة المجسدة لآلي صناعي كبير واحد 30 ميغاواط، أي ما يعادل الاستهلاك الشهري للكهرباء في عدة أسر معيشية متوسطة.

ويتفاوت استخدام الطاقة التشغيلية تفاوتاً كبيراً من حيث التطبيق، ولكن الروبوت الذي يبلغ 200 كغ يُدير نوبتين يومياً قد يستهلك 000 15 إلى 000 25 كيلوواط سنوياً، وإذا كانت الكهرباء تأتي من شبكات الوقود الأحفوري الثقيل، فإن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بها يمكن أن تكون كبيرة، وعلاوة على ذلك، فإن الروبوتات كثيراً ما تتطلب مضخات إضافية للنظم الإضافية - مضخات للعزل، خطوط جوية مُضغطة، نظم التشحيم - طلبات متعددة الطاقة.

فالنفايات الإلكترونية مصدر قلق متزايد، إذ أن الروبوتات الصناعية تحتوي على لوحات الدوائر والمجسات وأجهزة التحكم والسيارات والبطاريات التي تحتوي على مواد خطرة مثل الرصاص والكادميوم ومثبطات اللهب المبرومة، ويتمتع متوسط عمر البيوت الآلية بالخدمات التي تبلغ 12-15 سنة، والتي يُلغى بعدها تشغيل العديد منها، وبدون برامج قوية لإعادة التدوير، فإنها تصبح نفايات إلكترونية غير رسمية.

وبالإضافة إلى ذلك، يعتمد العديد من الروبوتات على عناصر نادرة في المغناطيسات الدائمة في محركاتها المتحركة التي ينطوي التعدين فيها والارتقاء على مواد كيميائية سامة وتوليد منتجات ثانوية مشعة، كما أن التركيز الجيوسياسي لهذه المواد يؤدي إلى وجود مواطن ضعف في سلسلة الإمداد يمكن أن يدفع ممارسات استخراج غير مستدامة.

تقييم دورة الحياة: إطار فهم الأثر الكلي

ويتطلب التقييم البيئي الشامل للآليات الصناعية منهجية لتقييم دورة الحياة، وفقا لمعايير مثل المعيار ISO 14040/14044.

]Cradle-to-grave emissions for a typical industrialroid are dominated by the operational phase (50-70% of total CO2-equivalent), but the manufacturing phase contributes a significant share, especially for Robs with large mass or highly specialized components. For example, the production of neodymium-iron-boron magnets accounts for roughly 10 continent.

وقد بدأت عدة أفرقة بحثية في نشر بيانات عن الأنيسولات الألياف المميتة للمثليات، وقد خلصت دراسة أجريت في عام 2023 في Journal of Cleaner Production إلى أن الاستعاضة عن الروبوت الصناعي التقليدي بآليات تعاونية خفيفة الوزن (cobot) يمكن أن يقلل من انبعاثات دورة الحياة بنسبة 25 إلى 35 في المائة، ويرجع ذلك أساساً إلى انخفاض المحتوى المادي وانخفاض استهلاك الطاقة أثناء التشغيل.

ويمكن للمصانع أن تستخدم نتائج التقييم الذاتي المميت المتوسط لتحديد البؤر الساخنة للتحسين مثلاً، ويمكن أن يؤدي التحول إلى الألومنيوم المعاد تدويره للسكن الآلي إلى انخفاض الطاقة المجسدة بنسبة تصل إلى 60 في المائة، وبالمثل، فإن اختيار السيارات ذات درجات أعلى من الكفاءة (مثلاً، IE4 أو IE5) يقلل من الكربون التشغيلي دون أن يلحق الضرر بالأداء.

استراتيجيات التصنيع المستدام مع الأجهزة الصناعية

ويتطلب اعتماد ممارسات آلية مستدامة اتخاذ إجراءات على مستويات متعددة: التصميم والنشر والتشغيل وإدارة نهاية العمر، وتمثل الاستراتيجيات التالية أكثر النهج فعالية المتاحة حاليا للمصنعين.

تصميم فترة طويلة وإصلاحها

فالروبوتات التي تبنى بالهيكلات النموذجية تسمح باستبدال أو ترقية عناصر فردية مثل مفاصل المعصمات أو محركات الرسغ أو المتحكمين دون التخلص من الوحدة بأكملها، مما يوسع نطاق الحياة في الخدمة ويقلل من النفايات المادية، كما أن بعض الأعضاء التناسلية الأنثوية تقدم الآن برامج لإعادة تصنيع الأليات المستعملة إلى حالة جديدة، ولا تستهلك سوى 30 إلى 40 في المائة من الطاقة التي تحتاجها شركة البخارية لبناء وحدة جديدة.

تشغيل الطاقة والبرمجة بكفاءة

ويمكن أن تؤدي طرق الألياف والصور الضوئية إلى تحقيق وفورات كبيرة في الطاقة، كما أن منحنىات تسريع/تخفيض السرعة، والتقليل إلى أدنى حد من التغيرات في الاتجاه السريع، واستخدام أقل سرعة ممكنة، والتحميل، يقلل من الخسائر المقاومة، ويمكن أن تساعد أدوات البرمجيات التي تحاكي الحركة الآلية قبل نشرها المهندسين على تحديد التسلسلات غير الفعالة، بالإضافة إلى أن ربط أجهزة التحكم الآلي بنظام إدارة الطاقة في المصنع يتيح زيادة الطاقة الدينامية القائمة على الإنتاج.

استخدام المواد المعاد تدويرها والمتجددة

ويقلل إنتاج اللدائن المعاد تدويرها من الصلب واللدائن بعد الاستهلاك في إطارات قواعد الروبوتات، والأغطية، وكوندوات الكابلات من الأثر البيئي لاستخراج المواد الخام، وبالنسبة للمحركات، يقوم الباحثون بوضع تصميمات خالية من المغناطيس تستخدم توركات التردد، وتقضي على الحاجة إلى عناصر ذات أعشاش نادرة، وفي حين أن هذه المركبات أثقل قليلا، فإنها تقل تكلفة وخطراً بيئياً.

مخططات إعادة تدوير الحياة والخروج

وينبغي أن يكون المصانع شريكاً مع أجهزة إعادة تدوير مصدقة للنفايات الإلكترونية يمكنها تجهيز الروبوتات الصناعية، كما يمكن استعادة المعادن الخام من لوحات الدوائر، والصلب من الأُطر، والنحاس من الأسلاك، كما أن بعض المصانع الآلية توفر برامج استرجاعية يتم فيها جمع الوحدات القديمة وتفكيكها في مرافق خاضعة للرقابة، وفي الاتحاد الأوروبي، تُعد برامج إنفاذ النفايات الكهربائية والإلكترونية (WEEE) نماذج مدمجة، ولكن هذه المخططات،

الأجهزة التعاونية كبديل مستدام

فالآليات التعاونية (الكبوتات) هي عادة أقصر وأصغر حجماً وتستهلك طاقة أقل من الروبوتات الصناعية التقليدية، كما أنها تتطلب قدراً أقل من الحراسة في مجال السلامة، مما يقلل من استخدام الفولاذ والخرسانة، أما بالنسبة للمهام ذات الحمولات المتغيرة والحجم المنخفض، فلا يمكن نقل الأوعية إلى مختلف خطوط الإنتاج، مما يمتد إلى مدى الحياة المفيدة.

السياسات والمعايير والتصديقات

وتتطور الأطر التنظيمية ومعايير الصناعة لتشجيع الروبوتات المستدامة، وتوفر أسرة المنظمة الدولية لتوحيد المقاييس رقم 14000 مبادئ توجيهية لنظم الإدارة البيئية، بما في ذلك التقييم الليبري والتصميم الإيكولوجي، ويجب على المصانع التي تسعى للحصول على شهادة إيزو 14001 أن تقوم بصورة منهجية بتقييم وخفض آثارها البيئية، وأن تحفز على اعتماد روبوتات ذات كفاءة في استخدام الطاقة، وممارسات إعادة التدوير.

وفي الاتحاد الأوروبي، يتسع نطاق التوجيه المتعلق بالتصميم الإيكولوجي [(FLT:0)] ليشمل المعدات الصناعية، بما في ذلك الروبوتات، وتستلزم التدابير المقترحة معايير دنيا لكفاءة الطاقة، وتوافر قطع الغيار، ودعم البرامجيات لمدة 10 سنوات على الأقل بعد الإطلاق، وبالمثل، تُلزم لوائح المنتجات المتصلة بالطاقة بعلامات للطاقة بالنسبة لبعض النظم التي تحركها السيارات، مما يعطي المشترين معلومات واضحة عن الاستهلاك.

كما أن الحوافز الحكومية تؤدي دوراً في هذا الصدد، إذ تقدم بلدان عديدة ائتمانات ضريبية أو منح لشراء معدات التشغيل الآلي ذات الكفاءة في استخدام الطاقة، وعلى سبيل المثال، يقدم صندوق اليابان للابتكارات الخضراء الدعم لاعتماد روبوتات منخفضة الكربون، في حين يوفر برنامج ألمانيا للتعاون التقني في مجال الزراعة والتفضيلية تغطية تكاليفية تصل إلى 30 في المائة للمشاريع الصغيرة التي تنفذ التشغيل الآلي المستدام، وتساعد هذه الأدوات المالية على تعويض ارتفاع التكلفة الأولية للآليات الخضراء، مما يؤدي إلى التعجيل بالتحول إلى الأسواق.

Emerging Technologies for a Greener Robot Future

وفي المستقبل، تعد عدة ابتكارات بزيادة تخفيض البصمة البيئية للآليات الصناعية.

Energy Harvesting and Self-Powered Sensors

وقد صممت أجهزة كهربائية مجهزة بأجهزة لجلب الطاقة، مثل المولدات الفائقة الصغرية التي تعمل على المفاصل - يمكن تحويل الطاقة الحيوية إلى طاقة كهربائية للمستشعرات المحتوية على مواد مدمجة، مما يزيل الحاجة إلى البطاريات التي يجب استبدالها وإعادة تدويرها، وقد أظهر الباحثون في جامعة ميتشيغان نموذجاً يجني طاقة تشخيصية تتراوح بين ٥ و١٠ في المائة، بما يكفي لتوليد الطاقة الخارجية.

AI-Driven Energy Optimization

ويمكن أن تحلل الاستخبارات الفنية ملايين أنماط الحركة لإيجاد التسلسل الأمثل الذي يقلل من الطاقة إلى حد ما بالنسبة لجدول إنتاج معين، وتكيف الخوارزميات التعليمية المعززة في الوقت الحقيقي مع التغيرات في الحمولة أو سرعة النقل، والسعي باستمرار إلى تحقيق مكاسب في الكفاءة، وتظهر التجارب الصناعية المبكرة وفورات في الطاقة تتجاوز ما تحققه البرمجة التقليدية من وفورات في الطاقة تتراوح بين 15 و30 في المائة.

المواد القابلة للتحلل البيولوجي والبذور الأحيائية

ويجري اختبار البوليمرات المستمدة من ستارش الذرة أو قصب السكر أو التخمير المجهري لتغطية الكابلات الآلية، أو المساكن بالعتاد، والأجزاء الهيكلية المنخفضة الضغط، وفي حين أنها لا تزال غير قوية بما يكفي للهياكل الرئيسية التي تحمل الحمل، فإنها يمكن أن تحل محل البلاستيك القائم على النفط في المناطق غير الحرجة، وفي نهاية العمر، فإن هذه المواد ترتدى أو تحلل أحيائي تحت ظروف خاضعة للرقابة، مما يقلل من النفايات المتناهية الصغرية.

منابر الاقتصاد الدائري

وتبرز الأسواق الرقمية للعناصر الآلية المستخدمة والروبوتات المتجددة، وتسمح منابر مثل " روبوتكسينغ " و " غوبوتشي " للشركات ببيع فائض أو آليات منقولة عن العمل إلى جهات تصنيع أخرى، مع الاحتفاظ بالمعدات المستخدمة لفترة أطول، مع وجود وصلات وصل موحدة ومراقبين عالميين، مما يقلل من الحاجة إلى إنتاج جديد ويقلل من الأثر البيئي العام في جميع أنحاء الصناعة.

التعليم، القوة العاملة، والطريق إلى الأمام

ويعتمد التشغيل الآلي المستدام في نهاية المطاف على المهنيين المهرة الذين يفهمون علم الإنسان الآلي والبيئي، ويجب أن تدمج المناهج الهندسية التفكير في دورة الحياة، ومبادئ التصميم الإيكولوجي، وإدارة الطاقة في الدورات الروبوتية، وتقدم الجامعات مثل كارنيجي ميلون واي تي زوريخ الآن وحدات مخصصة بشأن " الروبوتات العالمية " تشمل اختيار المواد، ونموذج الطاقة، واستراتيجيات نهاية العمر.

كما أن برامج التعليم المستمر للعمال الحاليين تتسم بنفس القدر من الأهمية، إذ يحتاج فنيو الصناعة ومهندسون التشغيل الآلي إلى التدريب على كيفية برمجة مسارات فعالة من حيث الطاقة، والحفاظ على الروبوتات من أجل طول العمر، والفصل الصحيح بين النفايات الإلكترونية، كما أن المبادرات التعاونية بين الصانعين الآليين، والرابطات التجارية، وكليات المجتمع المحلي يمكن أن تغلق الفجوة في المهارات مع تشجيع الممارسات المستدامة في قاع المتاجر.

ويمكن للطلاب أيضا أن يسهموا من خلال مشاريع البحث والبحث في كابستون، فعلى سبيل المثال، قام فريق في جامعة ستوتغارت بتصميم مجموعة من أدوات إعادة التدوير المنخفضة التكلفة التي تضيف إلى رصد الطاقة والقدرات التلقائية لتوليد الطاقة إلى الروبوتات القديمة، ومدة حياتها المفيدة، وخفض استخدام الطاقة بنسبة 20 في المائة، وتظهر الابتكارات مثل هذه أن الجيل القادم من المهندسين مستعد لمواجهة التحدي البيئي المباشر.

فالانتقال إلى الصناعة التحويلية المستدامة بالآليات الصناعية ليس ممكنا فحسب، بل هو قيد التنفيذ بالفعل، إذ إن الصناعات، من خلال تطبيق تفكير صارم في دورة الحياة، واعتماد أفضل الممارسات في مجال التصميم والتشغيل، والاستفادة من السياسات الداعمة والتكنولوجيات الناشئة، يمكنها أن تحقق مكاسب الإنتاجية في مجال التشغيل الآلي مع الحد بشدة من آثارها الإيكولوجية، ونتيجة لذلك قطاع تصنيع يتسم بالتنافسية والمسؤولية البيئية، ويهيئ المجال لمستقبل صناعي مستدام حقا.