Table of Contents
وقد استولت النظم الآلية الحسنة على خيال الباحثين والمهندسين مع مزيجهم الفريد من الامتثال والقدرة على التكيف والسلامة، وعلى عكس الروبوتات الجامدة التقليدية التي تُبنى من الفلزات والمستودعات، تستخدم الروبوتات الناعمة مواد متوافقة مع بعضها البعض، مثل البيوترات الهدرائية والمنسوجات التي تُنقل إلى صناعة الارتقاء، وتُغلب على الكائنات البيولوجية الصغيرة التي تُز في البداية في المختبرات الأكاديمية ومشاريع البحثية.
التحديات التقنية في مجال تحسين القدرات
إن الطبيعة الأساسية للآليات اللينة - وهي تشوهها، وميكانيكيها غير الخطي، واستخدام المواد غير التقليدية - تخلق سلسلة من الصعوبات التقنية عند الانتقال من مظاهرات مختبرية واحدة إلى نشر صناعي موثوق به، وهناك ثلاثة مجالات رئيسية هي: قابلية المواد للاستمرار، وتعقيد السيطرة، والتكامل بين أجهزة الاستشعار.
مدة المواد وطولها
وعادة ما يختلس الروبوتات الصالحة من مصانع السليكون أو المطاط اليوريتاني أو البوليوريثانات الحرارية، وفي حين أن هذه المواد لا توفر سوى امتثال ممتاز وقابلية للتمديد، فإنها كثيرا ما تعاني من انخفاض في قوة الدموع، ومن ضعف مقاومة الشظايا، ومن ارتفاع سريع في ظل الحملات الدورية، وفي بيئة صناعية قد يحتاج الحزن إلى أداء آلاف من دورات الوقود في اليوم، ومناولة الأجسام ذات النمذجة السطحية.
ويقوم الباحثون بنشاط بتطوير تركيبات جديدة للمواد تجمع بين المرونة والخصائص الميكانيكية المعززة، فعلى سبيل المثال، يمكن لأجهزة التلقيم الذاتي ] أن تتعافى من الأضرار الطفيفة، التي يمكن أن تمتد حياة الخدمات، بينما تقوم جهات أخرى باستكشاف الفولط المركب المقوى، حيث توفر طبقات نسيجية مدمجة أو ألياف مستمرة القوة مع الحفاظ على الامتثال.
الضوابط والدقائق
إن التحكم في الإنسان الآلي غير الملزم يختلف اختلافا جوهريا عن السيطرة على الإنسان الآلي الجامد، إذ أن الروبوتات المتردية لها علامات واضحة - لكل مشترك محور وطائفة معروفة من الحركة، وعلى النقيض من ذلك، فإن الروبوتات الصغيرة تظهر باستمرار تشوهات بدرجات غير نهائية من الحرية، وتتوقف تحركاتها على التفاعلات المعقدة بين الحرق الداخلي (العملية، والهيدروليكية، والقوى الخارجية التي تحركها الشكل) أو المي.
وقد ظهرت استراتيجيات متقدمة في مجال الرقابة مثل الرقابة على النماذج، والتعلم عن التعزيزات، والشبكات العصبية المغذية في بيئات البحوث، ولكنها كثيرا ما تتطلب نماذج محاكاة عالية الجودة تكون مكلفة حاسبيا لتسير في الوقت الحقيقي على المعدات المدمجة، كما أن هذه النماذج يجب أن تلتقط غير الملزمة المادية، والهيستيريز، والآثار المتميزة للتجمع الآلي التي يصعب وصفها وتحديدها.
أجهزة الاستشعار والكهرباء الالكترونية
ومن أجل التحكم بدقة في الروبوتات اللينة، يجب أن يعرف المتحكم الشكل الحالي للآليات وحالتها، إذ يصعب إدماج أجهزة الاستشعار التي تعمل بالجهاز الآلي في المواد القابلة للتداول والتي لا تُعرِض الأداء الميكانيكي للخطر، كما أن أجهزة الاستشعار التقليدية الجامدة (مثل قياسات الضباب المعدني، ومطيافات التكليل، والمكونات) يصعب دمجها لأنها تخلق تشخيصا محليا وتركيزات تخفض الامتثال.
وقد استحدث الباحثون مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار المرنة والممتدة باستخدام أجهزة الاستنشاق، والخطوط السائلة (مثلاً، الجيليوم الحسن)، أو البوليمرات التي تستخدمها أجهزة الاستشعار التي تستخدم الأشعة غير المشبع بالفلور الكربون، ويمكن لهذه المستشعرات قياس الإجهاد والضغط والغطاء وحتى درجة الحرارة، غير أن تواترها والانجراف والتصنيع لا يزال في أدنى من ذلك.
قضايا التصنيع والتقسيم
إن الانتقال من اختلاق المختبرات - غالبا باليد، باستخدام العفن أو الطابعات من ثلاث دي - إلى صناعة عالية الحجم ومكررة يشكل مجموعة من العقبات التي تعترضه، وقد اعتمد مجتمع الروبوتات اللينة تقليديا على تقنيات مثل الليثيوم اللينة، والعدادات المتعددة الأطراف، وكتابة الحبر المباشر، وبينما تنتج هذه الأساليب نتائج ممتازة للأنواع الأولية، فإنها غالبا ما تكون بطيئة وكثيفة اليد العاملة، ومن الصعب تحقيق التشغيل الآلي للإنتاج الجماعي.
Molding and Casting Constraints
إن عملية التجريد هي أكثر الطرق شيوعاً في صنع المكونات الروبوتية اللينة، إذ إن السائل السيليكون أو البوليوريثان يصب في عفن وشفى ثم يُخفض، وبالنسبة للمستحضرات الجيولوجية المعقدة ذات القنوات الداخلية (مثل الشبكات الناموسية)، يتطلب الأمر أجهزة متعددة القالب ولب صلبة، ويمكن أن تمتد خطى التحلل إلى سمات رقيقة تؤدي إلى ارتفاع معدلات الخردة الآلية.
تصنيع أدائي للروبوتات
فالطباعة 3D تتيح حرية التصميم والقدرة على إنشاء هياكل أحادية ذات قنوات متنقلة وتنوعت درجة الحرارة، وتحتاج نماذج الترسبات المزودة بالأجهزة الحرارية، ورسم الخرائط ذات الطابع الذاتي، إلى أن تكون الألاف من المواد الميكانيكية ذات الأرقام الموازية، وتظل جميع هذه المواد موضع بحث نشط، غير أن حجم الطبع المتزامن مع ثلاث مرات منخفض جدا بالنسبة للمجلدات الصناعية.
ضمان الجودة في سكال
إن مراقبة الجودة بالنسبة للنظم الآلية اللينة أكثر صعوبة من كونها بالنسبة للعناصر الصلبة، إذ أن أساليب التفتيش الموحدة التي تستخدم أجهزة القياس أو الرؤيا الآلية تفترض أشكالا صلبة ويمكن التنبؤ بها، وأن الأجزاء الناقصة مرنة وقد تتحلل تحت وزنها، مما يجعل عمليات التحقق من البُعد غامضة، وعلاوة على ذلك، فإن الأداء الوظيفي للحزن الناعم لا يعتمد على الهندسة فحسب، بل أيضا على خصائص مادية مثل صعوبة التسوق، وقوة الدموع، والاختبار.
ومن بين النهج الناشئ ] الرصد الرقمي القائم على أساس ثنائي ]، حيث يتم تتبع كل بارامترات تصنيع الحزن وربطها بنموذج محاكاة يتوقع أدائه، ويمكن أن يساعد ذلك على تحديد الأجزاء غير المنفقة في وقت مبكر، ولكن تنفيذ هذه النظم على نطاق واسع يتطلب بنية أساسية كبيرة للبيانات وفهما للعمليات.
التكلفة والتحديات الاقتصادية
ويعتمد الاعتماد الصناعي لأي تكنولوجيا جديدة على اقتراح واضح للقيمة الاقتصادية، وتواجه النظم الآلية الناقصة حاليا حواجز في التكاليف على مستويات متعددة: المواد، والصناعة التحويلية، والتكامل، والصيانة.
تكاليف المواد
فالذرات المتخصصة التي لها قدرة معززة على التحمل أو القدرة على التعافي الذاتي أو قوة الديليكتري العالية هي أكثر تكلفة بكثير من المطاط واللدائن في السلع الأساسية، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تكلف هذه السائلات الطبية التي تستخدم في البلازما 50 إلى 100 دولار لكل كيلوغرام، في حين أن البوليوريثان في الصف الصناعي قد يكون 10 إلى 30 دولار لكل كيلوغرام.
التصنيع العام
وكما نوقش، فإن الانتقال من التلاعب اليدوي إلى الإنتاج الآلي يتطلب الاستثمار في الروبوتات والمجسات وصنع القالب ومراقبة العمليات، وبالنسبة لشركة تنظر في اعتماد روبوتات لينة، مثلا، خط حزمة الفواكه، فإن التكلفة الأولية للمقبضين التقليديين وما يرتبط بذلك من بنية أساسية للتشغيل الآلي يمكن أن تصل بسهولة إلى مئات الآلاف من الدولارات، ويجب إثبات العودة إلى الاستثمار بصورة مقنعة، وذلك في كثير من الأحيان من خلال دراسات تجريبية تؤخر التبني.
التكامل مع النظم القائمة
ويجب أن يتفاعل المقبضون الناقصون والمصابون بالحشرات مع الأسلحة الآلية الجامدة ونظم الرؤية وأجهزة الإرسال والتحكم، وهذا التكامل ليس تافها، وكثيرا ما يتطلب المقبضون السائلون من معدات الطاقة الفوقية أو الهدرائية، والتحميل المتخصص والصمامات، والبرمجيات التي لا تتوفر في منابر آلية صناعية موحدة، مما يؤدي إلى زيادة تعقيدات الخلايا الحالية وتكلفتها.
الشواغل التنظيمية والمتعلقة بالسلامة
وتُنشأ الأطر التنظيمية للآليات الصناعية الآلية بشكل جيد، ولكنها لا تنطبق مباشرة على الروبوتات اللينة، وتحدد معايير مثل المعيار ISO 10218 (سلامة الروبوت) ورقم ISO/TS 15066 (الأمان الآلي التعاوني) متطلبات الحد من القوة والضغط، والرصد السريع، وفصل العمل، وتكون الروبوتات الصالحة للاختراق، بحكم طبيعتها المتوافقة، أكثر أماناً من حيث قوى التشويش المحتملة.
الاختبار والتصديق
ولا توجد بروتوكولات اختبار موحدة للعناصر الروبوتية اللينة، وكيف تُثبت أن عضلة صناعية مُضنية لا تتسرب بعد 10 آلاف دورة؟ وكيف تتحققون من أن الحزن الناعم لن يُطلق بشكل غير متوقع عبئا ثقيلا؟ إن الهيئات التنظيمية مثل مكتب تنسيق الشؤون الإنسانية، والاتحاد الأوروبي - مكتب تنسيق الشؤون الإنسانية، وجامعة الدول العربية، لا تبدأ إلا في فحص هذه المنتجات، إذ أن الشركات التي ترغب في نشر روبوتات لينة في بيئات الإنتاج يجب أن تُ تبني نفسها في كثير من الأحيان.
التفاعل بين البشر والروبوت
وفي حين أن الروبوتات اللينة أكثر أماناً للاتصال المباشر، فإنها لا تزال بحاجة إلى تقييم دقيق للمخاطر، فقد يسقط الإنسان الآلي الناعم - مثلاً فقدان الضغط الناموس - حمولة ثقيلة أو نكهة لا يمكن التنبؤ بها، وعلاوة على ذلك، يمكن للمواد اللينة أن تأوي البكتريا أو تجمع الملوثات في تطبيقات تجهيز الأغذية، مما يثير شواغل تتعلق بالنظافة، وينتج عن ذلك وضع أساليب اختبار موحدة لتحقيق التوافق البيولوجي، وقابلية للتطهير، وقابلية للفحص، وموثوقية للفحص.
التوقعات المستقبلية واستراتيجيات التخفيف
وعلى الرغم من هذه التحديات الهائلة، فإن الفوائد المحتملة للآليات اللينة - القدرة على التكيف، والسلامة، والمناولة النبيلة، وانخفاض التكلفة على المدى الطويل، والقدرة على العمل في بيئات مقيدة - ما زالت تدفع البحوث والطيارين الصناعيين المبكرين، وهناك عدة استراتيجيات بدأت تبرز لسد الفجوة من المختبر إلى أرضية المصنع.
التصميمات النموذجية والمكونات القابلة للاستعمال
وبدلاً من بناء روبوتات لينة مصممة خصيصاً تماماً، يدعو بعض الباحثين إلى نظم نموذجية يمكن فيها الجمع بين المحركات الميسورة والمجسات ومجالس الرقابة في تشكيلات مختلفة، ويستهلك هذا النهج تكاليف التنمية عبر تطبيقات متعددة ويتيح إعادة التشكيل السريع، فعلى سبيل المثال، يمكن تكييف وحدات الأدوات الآلية ] ].
الابتكارات المادية والهياكل الهجينة
ويمكن أن يحقق الجمع بين العناصر اللينة والجامدة - التي تسمى أحيانا تصميم " الهجينات " - الامتثال والسلامة الهيكلية على حد سواء، ومن خلال استخدام البقايا الجامدة، أو الهياكل العظمية، أو الهياكل العظمية، يمكن للمهندسين حماية المكونات الضعيفة من الإفراط في الاستيعاب والارتداء مع الحفاظ على المرونة عند الحاجة، كما أن الفئات الجديدة من المواد المتدرجة، التي تؤدي إلى تحولات مستمرة من التصنيع الناعمق إلى تصنيع ناعم.
الاستخبارات المدمجة والاستشعار الذاتي
فالتقدم في التعلم الآلي والحساب المختلط يجعل من الممكن إيجاد روبوتات لينة " تتعلم " دينامياتها الخاصة وتعوض عن اللبس والتغيرات المادية، ويمكن للمكتظين الذين يقيسون التخلف الكهربائي أو القدرة على التأقلم أن يقدروا التشوهات دون أجهزة استشعار خارجية، وأن يبسطوا النظام ويقللوا من التكلفة، ولا تزال هذه النهج تضار ولكن لديها القدرة على تحسين الموثوقية وسهولة الاستخدام بشكل كبير.
التعاون مع منظمات المعايير
وللمضي قدما، يجب على مجتمع الروبوتات اللينة أن ينخرط بصورة استباقية مع منظمات مثل الرابطة الدولية للمحاسبين الآليين، والمنظمة الدولية لتوحيد المقاييس، والمعهد الدولي للتعلم، لوضع المعايير ذات الصلة، وفي عام 2023، بدأت لجنة الـ F45 المعنية بالآليات استكشاف معايير الأمان للنظم الآلية اللينة، وستوفر هذه الجهود خريطة طريق لاعتمادها والمساعدة على اعتمادها في إزالة المخاطر للمستعملين النهائيين.
خاتمة
إن تصاعد النظم الآلية اللينة من الفضول المختبري إلى آفاق العمل الصناعية يشكل تحديا متعدد الأبعاد يولد علوم المواد، ونظرية التحكم، والهندسة الصناعية، والاقتصاد، والتنظيم، وفي حين أن العقبات كبيرة، فإن التقدم يتسارع، إذ أن المواد الأفضل، والمقاييس الأكثر تطورا للتحكم، وتقنيات التصنيع المبتكرة تغلق تدريجيا مدى الموثوقية والثغرات في التكاليف، ويعالج المبتغاوير في مرحلة مبكرة من المناولة الغذائية، والسوقيات، وأجهزة المربوطة البيولوجية.