تطوير حلول مائية منخفضة التكلفة للبلدان النامية

مؤسسة الميكاترونيك المتدنية

ويقع هذا المجال في تقاطع الهندسة الميكانيكية والإلكترونيات والتحكم المدمج والفكر في النظم، وفي الاقتصادات النامية، يقدم هذا المجال وعدا استثنائيا لأنه يتيح أجهزة ذكية تتكيف مع الظروف غير المتوقعة وتجعل الموارد المتاحة أكثر من غيرها، وخلافا للنظم الصناعية العالية، فإن الحلول المترونية المنخفضة التكلفة تعطي الأولوية لإمكانية الوصول، والقدرة على التكيف، والملكية المحلية.

والهدف من ذلك ليس هو إنتاج قيود رخيصة على التكنولوجيا الغربية، بل التركيز على الابتكار المناسب للسياق الذي يحترم التقاليد المحلية وسلاسل الإمداد والنظم الإيكولوجية للإعالة، والحل الناجح للتنوع في مجتمع الزراعة الريفية أو نظام عيادة غير مزود بالموارد الكافية، غالبا ما يختلف اختلافا كبيرا عن نظيره في مختبر ممول تمويلا جيدا، وقد يستخدم الدراجات النارية المعاد استخدامها من الأجهزة المفقودة، والمفتوحة المصدر من مصادر عالمية.

ويعيش أكثر من ثلاثة بلايين شخص في المجتمعات التي لا تكفل فيها الكهرباء الموثوقة، والربط الشبكي، والحصول على قطع الغيار، ويمكن أن توفر أجهزة قياس منخفضة التكلفة أدوات تحويلية لإنتاج الأغذية، والمياه النظيفة، والرعاية الصحية، والتعليم في هذه البيئات، ويتطلب ذلك وجود عقلية هندسية مختلفة تُمنح جوائز البساطة، والتصليح، والقابلية للتشغيل المحلي على الأداء الخام.

فهم الاحتياجات في مجال وضع الترتيبات القائمة على الموارد

قبل تصميم أي نظام ميكاترونيك يجب أن تُظهر الفرق نفسها في واقع المستعمل النهائي اليومي، الكهرباء غير الموثوقة ذات التوابل التصاعدية المتكررة، الربط عبر الإنترنت المتقطع، البيئات المُحْمَلة أو الرطبة، والنقص الحاد في التقنيين المدربين يحدد المشهد التشغيلي الشامل، جهاز يفشل عندما تصطدم موجة طاقة كهربائية بعيادة ريفية أو عندما تُلتقط أجهزة الاستشعار ذات الرمل الحسن بسرعة.

ففي الزراعة التي تستخدم فيها صغار المزارعين، غالبا ما يحتاج المزارعون إلى أدوات بسيطة وقابلة للنقل يمكن تقاسمها بين الأسر، وإصلاحها بأدوات يدوية أساسية، وتوليد الطاقة المحلية مثل الطاقة الشمسية أو البشرية، كما أن وجود جرار مستقل متطور لا صلة له إذا ما أريد استيراد قطع الغيار، ولا يعرف أحد في القرية كيف يُعيّن جهاز التحكم التوجيهي، وبالمثل، يجب أن يكون جهاز تشخيص محمول قادرا على الاعتماد من قبل عامل صحي محلي ذي تأثير محدود في التدريب.

الهندسة داخل مضيق تيت

فالتصميم على القيود الصارمة ليس مجرد قيد وإنما هو حفاز خلاق، إذ يبدأ المهندسون بتحديد الحد الأدنى المطلق من السمات الصالحة التي لا تزال تحل المشكلة الأساسية، ثم يختارون المكونات والمواد التي تكون قوية بما يكفي للبيئة المحلية ولكنها متاحة من خلال الأسواق الإقليمية أو قنوات المعونة الدولية، ويصبح مشروع المواد وثيقة استراتيجية: يمكن أن يؤدي استبدال مشغل خطي ألماني مستورد لجمعية محلية مزروعة إلى خفض التكاليف بترتيب من الحجم والتمكين من القيام بذلك.

وإدارة الطاقة أمر حاسم، إذ أن العديد من المناطق النائية تفتقر إلى الكهرباء الموثوقة، وبالتالي فإن الحلول المترونية كثيرا ما تتضمن الألواح الشمسية والبطاريات القابلة للشحن، وطرق النوم ذات الطاقة المنخفضة، وتضع لوحة التحكم التي تسحب الميكرومترات بينما لا تُستخدم إلا في أجهزة الاستشعار، يمكن أن تحدث الفرق بين أشهر التشغيل غير المجهزة بالبطارية، والتغيرات المتكررة في البطاريات التي لا يمكن للمستعملين تحمل تكاليفها(32).

كما يتطلب التصلب الحراري والبيئي هندسة دقيقة، إذ يُحسب العديد من المتحكمين في الميكروفونات المنخفضة التكلفة بالنسبة لمدى درجات الحرارة التجارية، ولكن الظروف الفعلية داخل جيب معدني تحت ضوء الشمس المباشر يمكن أن تتجاوز تلك الحدود، إذ أن اختيارات بسيطة، تُضاف فتحات التهوية، وتستخدم التصفيات المتوافقة على لوحات التحكم في الدوائر - تُمدد نطاق العمليات دون زيادات كبيرة في رسوم الطاقة.

مبادئ الابتكار الميسورة

اختيار المواد والتجميع المحلي

وباستخدام المواد المتاحة محلياً، فإن تكاليف الإنتاج وبناء القدرة على التكيف في سلسلة الإمداد، وبدلاً من تحديد المحاور الغريبة أو الأجزاء المصممة بدقة، فإن المصممين ينظرون إلى مواد البناء المشتركة، واللدائن المعاد تدويرها، والمعدات القياسية، وفي أجزاء كثيرة من أفريقيا وجنوب آسيا، فإن الصبغة المكسورة، والتنقيب عن المعادن المتحركة، والعناصر الآلية المتجددة يمكن أن تستخدم في نفس الشكل المطاطي.

الوحدات والإصلاح

وينبغي تجميع أجهزة الميكانيكية المنخفضة التكلفة من وحدات مفصّلة يمكن اختبارها بصورة فردية أو إزالتها أو استبدالها بأدوات متخصصة، ويسمح نهج نموذجي بمسح جهاز الاستشعار أو المصباح بواسطة تقني محلي مزود بمفكك، بدلاً من نقل الوحدة بأكملها إلى مركز خدمات بعيد.

النظام الإيكولوجي المفتوح والتعاون

وقد أصبحت الأجهزة والبرامج الحاسوبية المفتوحة المصدر العمود الفقري للتنمية المتنافرة التكلفة المنخفضة التكلفة، وعندما تنشر التصميمات تحت التراخيص المسموح بها، يمكن للمهندسين في جميع أنحاء العالم إعادة استخدامها وتحسينها وتكييفها دون دفع رسوم، وتحتفظ الرابطة المفتوحة للمصادر الصلبة بأفضل الممارسات لتقاسم المواد الكيميائية، وتركيب مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وبرمجيات البرمجيات التعاونية مثل جيت هوب، وجامعات التعبئة.

الاستشعار والمراقبة منخفضي النطاق

فقلب أي نظام ميكترونيك هو قدرته على الشعور بالبيئة والاستجابة بذكاء، وفي التطبيقات المنخفضة التكلفة، يختار المهندسون أجهزة استشعار قوية وغير مكلفة ويسهل الوصل بينها، ويمكن أن تكون أجهزة التحكم الحرارية بدلاً من الدقة في الأمراض المنقولة بالاتصال الحاسوبي المباشر، ومزودة بأجهزة قياس الترددات فوق الصوتية بدلاً من أجهزة الاستشعار عن بعد بالليزر، وأجهزة التصوير ذات القدرة المنخفضة على الاستبانة بالنسبة للتصنيف الأساسي خيارات نموذجية.

وينبغي إبقاء خوارزميات التحكم في الضبط على نحو مستقيم، إذ أن التحكم في الدمج - التكاملي يتطلب تدقيقاً ويمكن أن يتصرف على نحو لا يمكن التنبؤ به إذا انجرف المستشعرات، وفي كثير من الحالات، تكون مراقبة الهيستريز بسيطة ومتينة، فعلى سبيل المثال، يمكن لمسخ الماء الشمسي أن ينظم درجة الحرارة بتحويل درجة حرارة الصنع إلى درجة الحرارة الحقيقية عند تجاوز درجة حرارة السحب.

وعندما تكون هناك حاجة إلى مزيد من الرقابة المتطورة، يمكن أن تدار نماذج تينيمول على أجهزة التحكم بالمايكرويال التي لا تصل إلى 256 كيلوبايت من RAM.() وتُعد المهام مثل التعرف على الصوت، وتحليل الاهتزاز، أو الكشف عن الآفات محلياً دون الاعتماد على السحاب، كما أن إطار TensorFlow Lite Micro يدعم قائمة متزايدة من البيانات التي تحتفظ بالشبكة الصغرى، بل وتحترم الخصوصية.

التطبيقات والآثار العالمية الحقيقية

التلقائية الزراعية

وينتج المزارعون من صغار الملاك معظم الأغذية في كثير من البلدان النامية، غير أنهم كثيرا ما يفتقرون إلى إمكانية الحصول على الميكانيكية، كما أن الحلول الميكاترونية المنخفضة التكلفة بدأت تتغير، كما أن مضخات المياه ذات الطاقة الشمسية التي تستخدم أجهزة استشعار لرطوبة التربة، مثل تلك التي تستخدمها ] SunCulture، تدمج لوحة تصويرية غير مكتملة، كاميرا غير مجهزة، وملمسة بعد الظهر.

المياه النظيفة

وتعالج حلول المياه الميكانيكية إمكانية الحصول على مياه الشرب النظيفة، وتواجه مضخات اليد إخفاقاً آلياً، وتحتاج إلى جهد مادي غير متناسب مع النساء والأطفال، وتعطيل هذه المضخات بألواح شمسية، وتتحول أجهزة التحكم البسيط إلى موثوقية، وتضيف جهازاً لمسح التدفق والعرض يشجع على التخطيط للنفقة، وتشتمل النسخ الأكثر تقدماً على أجهزة استشعار منخفضة التكلفة ومعالجة المصابيحات للتحكم في المياه.

الأجهزة الطبية والتشخيص

كما أن أجهزة العلاج المميت منخفضة التكلفة تغلق الفجوة التشخيصية في الرعاية الصحية التي تتطلب موارد، كما أن نظام كارديوباد، وهو جهاز مصمم على أقراص متحركة، يستخدم أجهزة كهربائية بسيطة قابلة لإعادة الاستخدام، وجهازا مصغرا لرقمنة إشارات القلب، وينقلها دون سلك إلى طبيب أمراض القلب، ويحولها إلى أجهزة استرجاع ذات تكلفة باهظة، مما يقلل من تكلفة اختبار الصدر التقليدي.

التكنولوجيا المساعدة

وقد أنشأ المجتمع المحلي e-NABLE آلاف الأيدي الاصطناعية ذات الطباع 3D باستخدام تصميمات ميكانيكية مقفلة طوعياً، ويضم الجيل التالي أجهزة استشعارية تعمل بالعجلات وتكشف إشارات العضلات وتتحكم في الإمساك المتحرك باستخدام كهرباء الأذنين المكشوفة ونموذجاً للأجهزة الاستغنائية المزودة بأجهزة الاستشفائية.

التغلب على تحديات النشر

بناء القدرات المحلية

ومن أهم الحواجز عدم وجود موظفين مهرة لصيانة وإصلاح النظم الملاحية، بل إن أكثر التصميمات قوة ستحتاج في نهاية المطاف إلى تشخيص المشاكل، ويشمل الحل الجمع بين نشر التكنولوجيا وبرامج التدريب المكثف والتطبيقي، وتركيب أماكن العمل وأجهزة الاستيعاب مثل تلك الموجودة في شبكة فوب (FLT:0) [Fab Lab) - توفير حلقات عمل مجتمعية مجهزة بأدوات.

سلسلة الإمدادات والهياكل الأساسية

ويتجاوز العجز في الهياكل الأساسية الشبكة الكهربائية، ويحتاج الإنترنت المتقطع إلى أجهزة تعمل خارج الشبكة مع تحميلات دورية، وتؤخر الطرق التي تصبح غير قابلة للقطع خلال موسم الأمطار قطع الغيار، وتُضفي على الصناعة التحويلية من خلال تقنيات موزعة - ٣ دال، وتطويق الألواح على نطاق صغير، وتُحدِّد المختطفين - مما يُقلل من نطاق سلسلة الإمداد، والثبات، ودرجة الحرارة الالكترونية.

التمويل والاستدامة

كما أن وضع نموذج للأعمال التجارية المستدامة أمر ينطوي على تحديات مماثلة، إذ أن مخططات التمويل الصغير، وخطط الطاقة الشمسية المدفوعة الأجر أولاً، وتعاونيات القرى تسمح للمستعملين بدفع رسوم في المقار، وقد قامت وزارة العمل وشؤون المرأة والشباب والرياضة بنشر هذا النموذج في شرق أفريقيا؛ ويمكن أن تمول النُهج المماثلة مضخات الري أو الأجهزة الطبية التي لديها آليات للبيع الدوري، ويمكن للمؤسسات الاجتماعية التي تبيع للحكومات أو المنظمات غير الحكومية أن تحقق وفورات الحجم مع الحفاظ على تركيز البعثة.

الطريق إلى الأمام

مراكز التعليم والابتكار

وتتوقف الآثار الطويلة الأجل على زراعة المواهب المحلية، وتشمل الجامعات بشكل متزايد مسارات للاختراق تركز على الابتكارات المزروعة، وتواجه مسابقات مثل جائزة الهندسة للتغير الطلاب في بناء حلول للمشاكل المحلية، وتعزيز عقلية سلسلة المشاريع، وتستفيد مراكز الابتكار التي تدعمها شركات الاتصالات السلكية واللاسلكية، أو المصارف الإنمائية، أو المنظمات غير الحكومية من الهياكل الأساسية المشتركة، والتوجيه، والتمويل الأولي.

السياسات والتعاون الدولي

ويمكن للحكومات أن تعجل بالتبني عن طريق إزالة التعريفات الجمركية على المكونات الإلكترونية الرئيسية، ووضع معايير للجودة، بما في ذلك الأجهزة المشابهة في برامج الصحة العامة والزراعة، وتدفع الحوافز الضريبية للشركات التي تستثمر في شبكات التدريب والصيانة المحلية مشاركة القطاع الخاص، وتُوفر أطر الملكية الفكرية التي تدعم الشركات الإبداعية ورخص المصادر المفتوحة الوضوح القانوني، ويمكن لمؤسسات تمويل التنمية أن توفر رأس المال للمرضى من أجل الاختبارات والتصديقات الميدانية، وعندما يُكافأ الباحثون على نشر تصميمات إلى جانب أوراق الأناً مُ تخضع لاستعراض الأقران،

الاتجاهات الناشئة

ونظراً لأن تكلفة المتحكمين بالمايكروولرات المزودة بشبكة وي-في وبلوتاوث لا تزال تهبط، فإن الأجهزة الميكترونية تصبح أكثر فأكثر شبكة من قطع الغيار ذات الطاقة الشمسية ذات الطاقة المنخفضة، مثل شبكة لوروانز، توسّع نطاق الاتصال بالمناطق النائية، مما يتيح شبكات الاستشعار التي تعمل لسنوات على بطارية واحدة، ويتيح التقدم في التعلم الآلي الصغير للملوثات الدقيقة ذات الديارين أن تخفض تكاليف الصيانة التنبؤية أو نماذج تصنيف الأمراض.

وبإبقاء التركيز على التصميم المرتكز على الإنسان، والتعاون المحلي، وتحقيق الاستخدام الأمثل للتكاليف، يستعد الميدان لتقديم موجة جديدة من الأدوات التي تمكن المجتمعات المحلية من حل تحدياتها، ويعزز كل مشروع ناجح فكرة أن التكنولوجيا المتقدمة لا تنتمي فقط إلى مختبرات التجميل وإنما في أيدي المزارعين والقابلات وميكانيكيي القرى الذين يمكنهم تحويلها إلى تقدم اجتماعي واقتصادي دائم.