Table of Contents
مقدمة: المرجع المعني بنظم الإنقاذ في الميكاترونيك
وعندما ينهار المبنى، فإن إطلاق النار في الهواء يمتد دون إمكانية التنبؤ به، أو يعزل فيضانات المجتمعات المحلية بأكملها، فإن نافذة الإنقاذ تقاس في ساعات لا أيام، ويتلقى المستجيبون الأولون تدريباً كبيراً، ولكنهم يواجهون بيئات خطيرة لا يمكن الوصول إليها، ويتبع ذلك وجود خلايا منافذ مائية متداخلة من الهياكل الميكانيكية، والمجسّدات الإلكترونية، والبرمجيات الذكية التي تتحول
دور المقاتلين في عمليات الإنقاذ الحديثة
ويمكن أن يُذكر أن مصطلح " الملاحين " الذي كان منشؤه اليابان في الستينات لوصف أوجه التآزر بين الهندسة الميكانيكية والإلكترونيات، وهو يشمل اليوم إدماجا أوسع نطاقا بكثير من حيث الحاسبة ونظرية التحكم ودمج أجهزة الاستشعار، وفي سيناريو الكوارث، فإن النظم المشابهة يمكن أن تكون بمثابة مضاعفات للقوة، كما أن هناك آلية أرضية واحدة مجهزة بالكاميرات الحرارية ومجسات الكربون يمكن التنبؤ بها يمكن أن تُرسلة بصورة منهجية إلى هيكل مُرسلة.
ومن المهم أن نُظم الإنقاذ في البحر لا يقصد بها استبدال المستجيبين بالبشر بل تعزيزهم، وبالتالي فإن عملية التصميم تبدأ باحتياج تشغيلي: تحديد أماكن الناجين، وتقديم الإمدادات الطبية، أو رفع الحطام الثقيل، أو توفير الرصد البيئي المستمر، مما يؤدي إلى كل خيار آخر، من نوع انهيار الحركة إلى مستوى الاستقلال الذاتي، مما يؤدي إلى زيادة سرعة عمليات النشر العالية الاحتمال - مثل الرفالات التي تستخدم بعد الزلزال الذي ضرب اليابان في عام 2011(23).
مبادئ التصميم الأساسية لنظم الحد من الكوارث
فالتصميم من أجل الاستجابة للكوارث يفرض قيودا تتجاوز بكثير الروبوتات التجارية أو المختبرية النموذجية، وتهيمن أربعة مبادئ على العملية الهندسية، كل منها يؤثر على اختيار المواد والعناصر واستراتيجيات المراقبة، وهذه المبادئ مستمدة من عقود من الخبرة الميدانية وتضفي طابعا رسميا على معايير مثل نظام ASTM F3322 بالنسبة لنظم الطائرات الصغيرة غير المأهولة ومقاييس أداء الشبكة الوطنية للآليات البحثية والإنقاذ.
الموثوقية والتسامح
:: إن نظام الإنقاذ الآلي يعمل في كثير من الأحيان في مناطق معزولة حيث يتعذر إصلاحها، ويجب أن يستمر العمل حتى عندما تفشل أجهزة الاستشعار الفردية أو تسخين أجهزة التحكم في السيارات، ويحقق المصممون ذلك من خلال إعادة التشغيل: وحدات قياس غير مباشرة مزدوجة، وقنوات اتصال متعددة (الأشعة، والمقياس، والسواتل)، وممرات موازية للتسرب فيما بعد التقلبات، كما أن بروتوكولات التحلل المروية التي تُخضع للأخّب.
Robustness Against Environmental Extremes
وتواجه مواقع الكوارث الإلكترونيات في المياه والغبار والمواد الكيميائية الاصطناعية والآثار المادية، وتشتمل النظم المترونية الموجهة لهذه البيئات على أجهزة مقفلة مصنفة حسب معدل إي بي 67 أو أعلى، وتصفيفها في لوحات الدوائر، وأطر الدخان المفاجئة، وفيما عدا أجهزة التحكم في الارتداد إلى المقاييس، يجب أن يفرق نظام رسم الخرائط بين الغيومينية
التشغيل الذاتي والبعثي
ومن الواضح أن التداخل بين أجهزة الاستطلاع ذات الصلصة والشبكة غير المعروفة، في حين أن التداخل بين أجهزة التفجير والشبكة غير المعروفة، لا يمكن أن يتجاوز في الوقت نفسه، وجود شبكة من أجهزة الكشف الآلي ذاتيا، حيث أن هذه النسقية التي تستخدمها الشبكة، والتي تُستخدم في عمليات البحث عن أجهزة التفجير، وتُستخدم فيها أجهزة التكتل الآلي، وتُنتج عنها حرارة، وذلك في ضوء وجود تداخلات غير معروفة.
تصميم الجوانب المشتركة بين البشر
أما الميكانيكي الإنقاذي فهو فعال تماماً كما يقوم به المستجيب الذي ينشره، إذ أن تصميمات متحكمي الأيرغوميك، والوصلات البينية القائمة على الأقراص، وقلة الاحتياجات التدريبية غير قابلة للتفاوض، وهذا يعني في الواقع رسم خرائط للمهام الحاسمة لأجهزة التشغيل الآلية ذات الصبغة الاصطناعية، وتقديم البيانات عن طريق الارتداد باللون بدلاً من القياس بالأشعة المفاجئة.
نظام ميكاترونيك للإنقاذ
ويعد جهاز الإنقاذ الوظيفي دمجا معقدا للنظم الفرعية، كل من يُصمم لأداء أعمال تحت الضغط، وتمثل المكونات التالية لبنات بناء أي منصة مترونية مخصصة لبيئات الكوارث، ويقود اختيار هذه المكونات إلى موجزات البعثات، والبيئة التشغيلية، والقيود المفروضة على التكاليف.
Suitessor for Situational Awareness
فالأجهزة التي تستخدمها هي عين النظام وآذانه، وتشمل حمولة نموذجية كاميرات للتحكم في الأعماق، وجهازا للتحكم على درجة 360 درجة من أجل رسم الخرائط بسرعة، وكاميرا للأشعة تحت الحمراء لكشف حرارة الجسم، وسلسلة من الميكروفونات لتلتقط صورا غير مسموعة، وأجهزة الاستشعار عن الغازية التي تلتقط أجواء سمية، بينما تُنقَع أجهزة الكشف عن الإشعاعات في مواجهة الحوادث الصناعية.
منابر التطويق والتنقل
فالأسلحة التي تُنشأ في إطارها، هي أكثر الجوانب ميكانيكية، حيث أن النظم التي تُستخدم في التنظيف والتعقب توفر الموثوقية على الأنقاض المسطحة، ولكن التضاريس المعقدة تتطلب في كثير من الأحيان أرجلا أو تشكيلات هجينة، وتعجل الحركة في تطوير الآليات المصنّفة مثل جهاز الأنيمال C، التي يمكن أن تضبط وضع الأقدام في الوقت الحقيقي لتحريك السلم والفجوه وخرفة.
إدارة الطاقة وتعبئة الطاقة
فالطاقة هي العامل المقيد في معظم عمليات النشر، إذ لا تزال مجموعات البطاريات الليثيومية معيارية، ولكن الكيمياء الناشئة مثل البطاريات الصلبة تعد بأن هناك كثافة طاقة أعلى، وأن تحسن الاستقرار الحراري، ويجب أن يتضمن التصميم نظماً لإدارة البطاريات ذكية ترصد التوازن بين الخلايا ودرجة الحرارة وحالة الشحن، مع السماح بتعبئة أجهزة التبديل ذات القدرة العالية، وتدمج بعض البرامج التجريبية الألواح الشمسية أو خلايا الوقود في البعثات الموسعة.
الرقابة المدمجة والحساب الإلكتروني
ويُعدّ دماغ النظام عادة هيكلا حاسوبيا متجانسا: ويعالج المتحكم في حركة الميكروفونات في الوقت الحقيقي حلقات مراقبة السيارات والسلامة، بينما يقوم مجهزون أو أكثر بتصوير مقياس عالي المستوى وتصوّر خوارزميات تخطيطية، كما أن المسرّعات المتخصصة في مجال تكنولوجيا المعلومات، مثل وحدات نظام " نيفيديا جيتسون " ، بتمكين الشبكات العصبية من الكشف عن الأجسام ذات التردد العالي من الارتدارك.
أُطر الاتصال
ويمكن أن تعتمد التصاميم الآلية في الميدان على الشبكات اللاسلكية أو الخلوية، وقد تدمج التصميمات الآلية وصلات إذاعية متعددة: يتيح نظام الترددات العالية 5 GHz المتدفقة بالفيديو عند توافر عقدات قريبة، ويضع جهازا لاسلكيا ذا تردد منخفض يبلغ 900 متر مربع من أجل قياس مدى بعيد، ويضع نظاما للوصلات الاصطناعية أو LpsTE في سيناريوهات النفقية.
التغلب على تحديات النشر
ويجب أن تظل أفضل نوايا التصميم على اتصال مباشر بمنطقة حقيقية من الكوارث، ويجب على المهندسين أن يتوقعوا ويخففوا من مجموعة من العقبات المتكررة التي يمكن أن تجعل حتى أكثر الروبوتات تطورا عديمة الفائدة في الميدان.
الحطام الملاحي والتضاريس غير المتوقعة
وتتحول أكوام المطاط تحت الوزن، وتنهار الفراغات، وقد تفسح الأرضية الطريق، وتختبر منابر التنقل على الحدائق الموحدة للتضاريس التي تحف الفطائر، والمزلاجات العشوائية، والمنحدرات المتطاولة، وتستعمل استراتيجيات المراقبة المتقدمة التحكم في نماذج التنظيف، وتضع علامات على المحركات العجلة، وتتوقع حدوث ممرات غير مستقرة.
Sustaining Operations with Limited Energy
ويمكن أن تدوم مهمة إنقاذ في الأيام الماضية، حيث أن المحركات تصمم ميزانيات الطاقة التي تستهلك أسوأ الحالات: فجميع المحركات العاملة، والمجسات التي يتم استخلاصها بالكامل، ونقل البيانات المستمر، ولإطالة فترات التشغيل، يستخدم الروبوتات أجهزة لتوليد الطاقة، وتخفض الطاقة من خلال نظام للشحنات غير الحرجة، ويسمح مفهوم " تخطيط البعثات التي تتعلم الطاقة " بأن يعطى النظام أولوية مستقلة لكشفها عن المواقع التي تُسربها.
بيانات تجهيز في الوقت الحقيقي في مرحلة إدج
إن الكشف عن الضحايا لا يمكن أن يُحتمل حدوث تأخيرات، فالنموذجات الشبكية العصبية تُستخدم على الوجه الأمثل من خلال التهريب والتقدير الكمي بحيث تُجرى بسرعة غير مقصودة تبلغ 30 إطاراً في الثانية من المعدات المزروعة، وتُثبت البيانات المستشعرة التي تُستخدم في إطار نظام " إلتقاط الصور " ، كما أن الصورة الحرارية قد تحلل للتوقيعات الحرارية التي يُضغط عليها قبل أن يُضغط على أجهزة الكشف عن طريقها.
إدماج نظم قيادة الحوادث
ولا يعمل أي آلي في عزلة، فالبيانات التي يولدها يجب أن تغذي هيكل قيادة الحوادث الذي يستخدمه محاربو الحرائق، وأفرقة البحث والإنقاذ في المناطق الحضرية، ومديرو حالات الطوارئ، وهذا يتطلب وضع نظام معلومات مفتوح ونظام موحد للبيانات مثل نموذج تبادل المعلومات الوطنية أو نظام الإنذار باستخدام المخاطر الآلي.
Emerging Technologies Shaping the next Generation of Rescue Robots
وتدفع مختبرات البحوث وأفرقة الصناعة إلى الحد الذي يمكن أن تحققه أجهزة الإنقاذ، وتبرز عدة اتجاهات تكنولوجية إمكاناتها لتحسين فعالية العمليات بشكل كبير، والحد من أوقات الاستجابة، وتوسيع نطاق البعثات المحتملة.
الاستخبارات الفنية وعلم النفس
ويتجاوز هذا النظام اكتشاف الأجسام الثابتة، إذ يتيح التعلُّم في مجال الإنفاذ للآليات تعلم استراتيجيات العزل في بيئات الكوارث المحاكاة ونقل تلك المهارات إلى العالم الحقيقي، ويتيح التعلُّم في مجال النقل نظاماً مدرَّباً على نوع من الانهيار للتكيف السريع مع المجالات الأخرى، كما أنَّ التوليد الآلي غير القابل للتفسير يكتسب أيضاً مساراً، مما يتيح للمشغلين أسباباً مفهومة لتكييف نماذج النسيب الآلات في مجال بناء الثقة أثناء فترة زمنية عالية.
الاستخبارات والتعاونيات
فالآليات الوحيدة التي لا يمكن أن تغطي سوى منطقة محدودة، وهي تحشد وحدات أبسط وأرخص تنسيقا دون رقابة مركزية، وتظهر نظم التحليل التي تستمد من المستعمرات النملية وجود آليات للتفتيش تتسم بالكفاءة، وتتقاسم البيانات المكتشفة، بل وتشكل سلاسل مادية لسد الثغرات، وفي سيناريوهات ما بعد الزلزال، يمكن أن تحد بسرعة من نقاط الدخول المتحركة.
الأجهزة الآلية والهيكلات المشتعلة
فالآليات الصالحة التي يتم إعدادها من خلال مواد متوافقة مثل أجهزة الاستنشاق بالسيليكون يمكن أن تتحول من خلال ثغرات تُخيط آلات صلبة، حيث يتم إنتاج روبوتات ذات قدرة متحركة على نحو غير مكتمل، مثل المستكشفين المتشابهين الذين تم تطويرهم في ستانفورد، ويمكن أن يمدوا بقشيشهم إلى أماكن محصورة دون أن يُنزلق الجسم بأكمله، مما يقل الاحتك وخطر حدوث المزيد من انهيار.
الاستشعار من بعد وتصور
وتستمر تكنولوجيا الاستشعار في التقدم بسرعة، إذ أن كاميرات الاستديو الأنفلونزي المفردة تتيح تصور أعمق شبيه بالليدرات مع دقة المقاييس في طاقة منخفضة جدا، ولا يمكن للمستشعرات الهيبرية أن تكشف عن آثار كيميائية من تسرب الغاز أو السوائل الجسمية من مسافة بعيدة، ويمكن للرادارات على نطاق الترددات فوق المتوسط أن تكتشف من خلال جدران للكشف عن بُعدات الإنقاذ والتنفس الجديد.
المنصات النموذجية والقابلة للتداول
فالأدوار التي يقوم بها الجيش في مجال الكوارث تختلف اختلافا كبيرا، بحيث يكون آليا واحدا يناسب الجميع نادرا ما يكون مثاليا، فالتصميمات النموذجية تسمح بتلقي مجموعة من أنواع الحمولات الأساسية: فجهاز تصوير للكاميرات للاستطلاع، أو حزن للتلاعب، أو جهاز نقالة لاستخراج الضحايا، كما أن البحث في نظام روميلا في تشكيلات آلية يتيح إعادة تشكيل المعدات الميدانية بسرعة دون أدوات.
دراسات الحالة: النشرات الحقيقية في العالم
ولا تمضي المبادئ النظرية إلا حتى الآن؛ فالتجربة التشغيلية تعزز الدروس المستفادة في مجال التصميم، إذ توفر عدة عمليات نشر معلومات قيمة عن ما يعمل وما يحتاج إلى تحسين في البيئات الفعلية للكوارث.
الروبوتات الأرضية في البحث والإنقاذ
وبعد زلزال كريستشورش في نيوزيلندا عام 2011، أُدرجت في مبنى " بيين غوولد غينينس " المنهار، ثلاثة أجهزة آلية مجهزة بالكاميرات وصوتية ذات اتجاهين، وأثبتت وجود ناجين من الناجين وسلموا المياه، وأظهرت كيف يمكن للمنصات الآلية أن تنقذ الأرواح عندما يكون دخول البشر خطيرا للغاية، وأكدت التجربة على الحاجة إلى عوامل صغيرة (أقل من 50 سم) تسلسل زلا، وأهمة، وأهمة، وهي تعطلت حركة زلية، وأهمت نظم سمعية.
طائرات عمودية لتقييم الوضع
وخلال مشعل مخيم 2018 في كاليفورنيا، استخدمت إدارة إطفاء مقاطعة لوس أنجلوس الطائرات بدون طيار بكاميرات حرارية لتحديد مواقع الاطفاء وتتبع التقدم المحرز في مجال الحرائق في الوقت الحقيقي، كما تم تيار البيانات إلى قادة الحوادث عن طريق شبكة مائية آمنة، مما أتاح اتخاذ قرارات استراتيجية أسرع، وقد أبرزت هذه الحالة الأهمية البالغة للتحمل الطويل (أكثر من 30 دقيقة)، كما قامت أجهزة الاستشعار الحرارية، ونسقت عمليات الإدماج في إطار برامجيات المسح الحرارية لعام 2020.
أجهزة معالجة تحت الماء من أجل التصدي للفيضانات والتسونامي
وبعد وقوع الزلزال وأمواج تسونامي في إندونيسيا، تم نشر مركبات تعمل عن بعد لتفتيش الجسور المتضررة، والمركبات المغمورة، وميادين الحطام في المياه الغامضة، حيث استخدمت هذه الأجهزة التصوير السوناري في ظروف غير قابلة للفحص، وزادت الأسلحة المتلاعبة بقطع شبكات الصيد المتشابكة، وأكدت العملية على الحاجة إلى نظم الدفع السريع ذات الدفع العالي،
التصميم لأغراض التشغيل المتبادل والقدرة على التصعيد
إن الاستجابة للكوارث هي رياضة جماعية، إذ أن الاستجابة الحديثة تشمل وكالات متعددة، وكل منها معدات وبروتوكولات خاصة بها، ولذلك يجب تصميم نظم مترونية ذات طابع مشترك، كخيمة أساسية، ويشمل ذلك اعتماد مكتبات برامجية مفتوحة المصدر، ودعم بروتوكولات اتصال موحدة مثل نظام مافلينك، وتوفير معلومات موثقة عن تصدير البيانات.
الاعتبارات الأخلاقية وفريق الروبوتات البشرية
فنظام الإنقاذ المستقل يثير أسئلة أخلاقية، فهل ينبغي أن يعطي الروبوت الأولوية لأحد الناجين على الآخر؟ وما هي درجة تفويض سلطة صنع القرار إلى آلة؟ إن المصممين يدمجون الأطر الأخلاقية عن طريق قواعد السلامة العالية، مثلا، يجب أن يتجنب الشخص الآلي المستقل الطيران مباشرة فوق الإنسان إلا إذا صدرت تعليمات صريحة، وأن يحافظ على وجود إنسان في حلقة من أجل اتخاذ القرارات المتعلقة بالوفاة أو الموت.
خاتمة
إن تصميم نظم ميكترونية لمواجهة الكوارث هو تحد هندسي يُمكن أن يُعزز من خلاله الجسور البيئات الميكانيكية القصوى، والإلكترونيات المحدودة القدرة، والبرامجيات الذكية، ويتطلّب تركيزاً لا يطاق على الموثوقية والقوة والقابلية للاستخدام، حيث أن تكنولوجيا الاستشعار، والاستخبارات الاصطناعية، وعلوم المواد ستستمر في تطوير أدوات الإنقاذ بسرعة أكبر وأكثر تصوراً وأكثر استقلالية.