نظم آلية للتحرير المستقل للمقابر والسفن

مقدمة: تحدي التنقيب عن الفضاء الخارجي

وتشكل المقادير والكهوف بعضا من أكثر البيئات شيوعاً وعجزاً عن الوصول إليها على الأرض، ومن غرف الحجر الجيري المُبَتَّعَة التي تُشكَّل على مدى آلاف السنين إلى أنبوب ضيقة من الحمى على الكواكب البعيدة، فإن هذه المناطق الفرعية تحتوي على بيانات علمية قيِّمة تتراوح بين التاريخ الجيولوجي والسجلات المناخية وبين أدلة على الحياة الحادة الشديدة الحساسية، ومع ذلك فإن تلك الأحاظة جداً والثام والمن والمن وغير المتجانسة والثبطة والثيفة في كثير من الارتج والثام.

:: النظم الآلية غير الملزمة - تُبنى هذه الآلات، التي تُستمد من المواد المتوافقة والمشوهة التي يمكن أن تُعصر من خلال فجوات أضيق من قطرها الخاص، وتتوافق مع السطح غير المستقر، وتعمل بأقل قدر من المخاطر على البيئة أو نفسها، كما أن التقدم الذي شهدته مؤخراً في مجال علوم المواد، والاستشعارات الخفية، والرقابة الذاتية.

وتتناول هذه المادة مبادئ التصميم، والمزايا التشغيلية، والبحوث الحالية، والمسار المستقبلي للنظم الآلية غير الملزمة لأغراض التنقيب عن الكهوف والكهوف، وندرس كيف تعيد هذه الآلات كتابة قواعد المسح، ورسم الخرائط، وأخذ العينات في البيئات التي تحدت منذ زمن طويل التكنولوجيا التقليدية.

ما هي النظم الآلية الطفيفة؟

فالنظم الآلية الحسنة هي آلات تتألف أساسا من مواد مرنة وخريقة تجسد الامتثال لل الكائنات البيولوجية وإمكانية تكييفها، بخلاف الروبوتات الجامدة التقليدية التي تُبنى من مفاصل المعادن، أو معداتها، أو محركاتها، أو روبوتات متحركة تعتمد على البوليميرات الفلزية، أو الديدان، أو الحجرات المزخرفة، أو الهدرائية، أو هياكلها المرنة.

وتشمل المواد المشتركة المطاط السيليكون (مثل إيكوفليكس ودراجون سكين)، ورغاوي البوليوريثان، والهيدروغلات، وبوليميرات الشكل، وتختلف أساليب الإصدار: فأكثر استخدام الهواء المضغوط (العضلات الاصطناعية المضغوطة)، أو الكابلات التي تحركها الزلاب، أو البوليمرات الكهرومغناطيسية، ويعني عدم وجود عقود أقل من نقاط الفشل، والصدمة المتأة

وقد برز هذا المجال بجدية خلال فترة 2010ات، ودفعه مشروعات مثل مقبضي ويس الليّن التابعين لمعهد هارفارد و " أوكتوب " (أول إنسان آلي غير مستقل تماماً) ومنذ ذلك الحين، نضجت الروبوتات اللينة بسرعة، حيث شملت التطبيقات أجهزة طبية، والبحث والإنقاذ، واستكشاف أعماق البحار، واستكشاف الكواكب بصورة حقيقية.

أهم الملاءمات للسرقات من أجل استكشاف الكوابح

إن الخصائص الفيزيائية الفريدة للآليات اللينة تتوافق تماما تقريبا مع متطلبات البيئات دون الإقليمية، ونقوم بكسر المزايا الرئيسية وكيفية ترجمتها إلى فوائد حقيقية للعالم.

1- المرونة والمناورات الاستثنائية

فالحفار التقليدي يعتمد على العجلات أو المسارات أو الأرجل المتعددة المفصّلة للبحرية، وكل شيء يتطلب حدا أدنى من الارتفاع، وإزالة العقبات، والمستوى الأرضي، بيد أن القفازات هي شيء غير منتظم، والزوايا المتطايرة، والزوايا الحاد، والزوايا الخفية، والخطوط الداخلية الخفيفة هي معيار، ويمكن للآليات القفز أن تضغط، والز طريقها عبر الممرات.

2- التأثير البيئي الأدنى

وهناك كهوف كثيرة تحتوي على تشكيلات حساسة - مصنوعات من الفلزات، وقطع الزهرة، وودائع معدنية نادرة - استغرقت عشرات الآلاف من السنين لتشكل، وقد يتسبب أثر عرضي واحد من ذراع معدني أو عجلة معدنية في ضرر لا يمكن عكسه، حيث أن الروبوتات الصغيرة التي صنعت من مواد متوافقة تمارس قوات اتصال منخفضة وتوزع الضغط على منطقة أكبر، وهذا النبؤة يجعلها مثالية للمسح العلمي حيث يكون الحفظ أمراً فائق.

3 - استيعاب الصدمات والسطو

فالهزات شائعة في الكهوف، فالآلي الجامد الذي يصطدم بعجلة أو بالصخور قد يكسر عظمة أو يحطم فوضاها أو يلحق الضرر بالالكترونيات الحساسة، وعلى النقيض من ذلك، تكون الروبوتات الخفيفة في جوهرها مصدومة، ويمكن لأجسادها أن تصمد في الانخفاضات والتأثيرات التي من شأنها تدمير الإنسان الآلي الصلب، علاوة على ذلك، لأنها تفتقر إلى مفاصل ميكانيكي، فهي أقل عرضة للتشويش.

4 - التأديب الإيجابي

ويمكن للآليات الصغيرة أن تستخدم مجموعة متنوعة من الشعارات: الزحف مثل الثور، أو العزل مثل الثعبان، أو التوسع والتعاقد مثل الفول، وهذا العزل المتعدد الوسائط يتيح لها الانتقال بين مختلف الصخور المسموقة، والملف، والطين، ومجمعات المياه دون تغيير الأجهزة، بل إن بعض التصميمات يمكن أن تدور عن طريق تضخم وتفجير غرف داخلية مفتوحة.

5- القدرة الذاتية الذاتية المتميزة

وفي حين أن الاستقلال الذاتي ليس حصرياً للآليات الناعمة، فإن طابعها المتوافق يبسط السيطرة في بيئات غير مؤكدة، بل يتطلب تحديد المواقع على نحو مرتفع وحسابات عقيمة لتجنب الاصطدامات، فإن الروبوت الناعم يمكن أن يضغط ببساطة على الجدران والعقبات بأمان، وهذا الامتثال يسمح بمكافحة الخوارزميات الأكثر بساطة وقوة التي لا تعتمد على كاميرات الاستشعار المثالية - وهي ميزة رئيسية في نظام تحديد المواقع.

الهندسة الآلية للاستخدام دون الإقليمي

وينطوي تصميم آلية إلكترونية قابلة للانتشار الميداني للكهوف على ثلاثة نظم فرعية حاسمة: الاختراع والاستشعار والتحكم، وكل منها يطرح تحديات فريدة ومبادلات.

Actuation: Pneumatics, Tendons, and Beyond

ومعظم الروبوتات اللينة الحالية لاستكشاف الكهوف مجهزة بطريقة عملية، إذ إن ضخ الهواء إلى غرف مقفلة أو خارجها (موزعة بصورة نمطية في جسم مجزأ) يمكن أن ينحني الروبوت أو يرتجف أو يقصر، كما أن الصمامات المبسطة ذات الأنابيب المضغية، وحاملة صغيرة على متنها (أو إمداد جوي ملوث) توفر وقتاً لدورة.

الاستشعار: الملاحة الظلام

فالكافيس لا توفر أي ضوء طبيعي، وغالبا ما تكون الرطوبة العالية، والتقلبات في درجات الحرارة، ويجب أن يحمل الآلات السائلة أجهزة استشعار يمكن أن تعمل في ظل هذه الظروف، كما أن الكاميرات التي تُبث في ذروة مبنية (مثل صفائف الأشعة تحت الحمراء أو التلقيح المضغوط) هي معايير، ولكن تستخدم أيضاً في رسم الخرائط، كما تستخدم في استخدام أجهزة قياس العزلة الشديدة، وأجهزة الاستشعار الضوئية التي تعمل بالأشعة تحت الضغط والتي تُ والتي تُكشف عن العقبات التي تعترض سبيلها " .

المراقبة والاستقلال الذاتي

:: إن الملاحة الذاتية في الكهوف صعبة للغاية، وبدون النظام العالمي لتحديد المواقع، يجب على الروبوتات أن تعتمد على التكوين المحلي المتزامن ورسم الخرائط التي ترسم خريطة للبيئة وتتتبع موقعها في جميع أنحاء العالم باستخدام بيانات الاستشعار عن مرض الزلازل، أما بالنسبة للآليات اللينة، فيتعين على التحكم بقدر أكبر من التعقيد من خلال ديناميات الجسم غير المتقلب؛ وقد تنتج نفس النهج القائمة على التقوية نماذج مختلفة للأجهزة الكهربائية،

دراسات الحالات: رواسب في مقاصف حقيقية ومؤقتة

وفي حين أن عمليات النشر الواسعة النطاق لا تزال محدودة، فإن عدة مشاريع ملحوظة توضح إمكانية وجود روبوتات لينة في استكشاف الكهوف.

The Soft-Snake at NASA’s Jet Propulsion Laboratory

وفي عام 2019، بدأ مهندسو الحركة في تطوير ثعبان آلي لين يسمى EELS (Exobiology Extant Life Surveyor) ، ومع ذلك في مجال التنمية، فإن العجلات التي تستخدمها شبكة إيلس تستخدم أجزاء لينة يمكن أن تلتحم من خلال المحركات المولدة من المحركات الجليدية والمنحدرات الجليدية المتسلّحة، وقد استوحى تصميمها من الحاجة إلى استكشاف المحيطات الجوفية في مجال التكيف مع الرملة.

Harvard’s Soft Robot for Lava Tube Mapping

وقد قام فريق في معهد هارفارد للوايس باختبار روبوت ناعم يقوده من الناحية العملية داخل أنبوب لافا في هاواي، وأنبوب لافا هي مناظر كوكبية للكهوف المريخية، ونجحت الآلية في اقتحام جزء من الأنبوب ذي طابقين متفاوتة وفوق الطوابق، وخرائط من ثلاث دي تستخدم كاميرات استديو، ومقبض على سطحي متطور.

ETH Zurich’s Soft Crawler for Cultural Heritage Caves

وفي أوروبا، قام باحثون في ETH Zurich] بنشر روبوت زاحف داخل الكهوف السابقة التاريخية من ألتاميرا، إسبانيا - موقع مشهور بدهانته البوليثية الحساسة، وقد سمح له الأثر المنخفض للآلي بالتحرك في حدود سنتيمتر من اللوحات دون مخاطر، مع تصوير الصور ذات الاستبانة العالية، ورصد البيئة الذي ساعد على حفظ الميكروفونات.

التحديات والحدود

ورغم وعدهم، فإن النظم الآلية اللينة لاستكشاف الكهوف تواجه عقبات كبيرة يجب التغلب عليها قبل أن تصبح أدوات قياسية.

الدوام في بيئة هرش

فالكافيس مبتذلة ومبتلة، وكثيرا ما تكون عدوانية من الناحية الكيميائية (مثلاً، رواسب الغانو، والمياه الحمضية) ويمكن أن تمزق الذروات النافعة على الصخور الحادة، وتتدهور تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية (وإن كان الأشعة فوق البنفسجية غائبة، فإن النشر السطحي قبل الدخول تحت الأرضي قد يكون إشكالياً) ويعاني من إجهاد الدهون الدهون الدهون الدافئة، ويعيش الباحثون في تطوير مواد أقوى وثومة على الدوام الذاتي.

الطاقة وكثافة الطاقة

فالآليات الناعمة الناعمة تتطلب هواءاً مكثفاً يحتاج إلى مضغط أو صهريج عالي الضغط يضيف كتلة وحجماً، وتوفر النظم المتطاولة هواء غير محدود، ولكنها تحد من النطاق والاستقلالية، كما أن الآلات اللينة التي تعمل بالبطارية والتي تعتمد على المحركات الكهربائية في مجال الإكتواء الميول أو السبيكة الشكلية تواجه قيوداً على كثافة الطاقة.

صنع القرار المستقل

وفي حين أن التعاضد يبشر بالخير، فإن الروبوتات اللينة الحالية لا تزال تكافح مع التخطيط الطويل الأجل في بيئات غير معروفة ودينامية، وقد يكون للكهف فروع متعددة أو نهايات مسدودة أو طوابق غير مستقرة، ويجب على الآلي أن يقرر متى يعود، ومتى يعاد توجيهه، وكيف يتجنب أن يعلق الجميع بينما يحتفظ بميزانية طاقة ضئيلة، ومن الصعب أن تتحول القوة الحسابية اللازمة لتصريف النفايات في الوقت الحقيقي، وتخطيط الطرق إلى حزمة.

الاتصالات واسترجاع البيانات

وكثيرا ما تحجب المقادير الإشارات اللاسلكية، مما يجعل التحكم عن بعد في الوقت الحقيقي أمرا مستحيلا، ويجب أن يعمل الآليون الطفيفة بصورة مستقلة لغالبية مهمتهم، وأن يترددوا على ظهرهم أو عندما يفتح نافذة اتصال قصيرة (مثلا قرب مدخل الكهف)، مما يضع المطالب الثقيلة على التجهيز على متن السفن وتخزين البيانات، وبالإضافة إلى ذلك، فإن استعادة الروبوت المادي بعد انتهاء البعثة لا يكفل دائما؛ وإذا ما أصبح محصورا أو متضررا، فإن البيانات العلمية قد تضيعة إلى الأبد.

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

وفي المستقبل، تعد عدة اتجاهات بالتعجيل باعتماد نظم آلية لينة للاستكشاف دون الإقليمي.

التصميم المُلهم بيولوجيا

وقد حلت الطبيعة بالفعل العديد من المشاكل التي يواجهها الإنسان الآلي الوليد، ويدرس الباحثون دودة الأرض (السرطان المميت)، والأفاعي (الريلينية والريح الجانبية)، والأعشاب (الأسلحة المتعددة الوظائف)، بل والفئران الحرق، وبإزاحة استراتيجيات الازدهار المميزة والتحكم الخاصة بهذه الحيوانات، يمكن للمهندسين أن يخلقوا روبوتات تتحرك بكفاءة أكبر من خلال التربة،

أجهزة آلية ذات طابع دائري

ومن الاحتمالات المثيرة نشر العديد من الروبوتات الصغيرة والرخيصة التي تعمل كحزام، حيث أن كل آلي سيكون بسيطا نسبيا ومستهلكا، ولكن يمكن أن يستكشفوا معا شبكة كهف بالتوازي، ويتقاسمون الخرائط والمعلومات من خلال الاتصالات المحلية المتقطعة، ويزيد من التغطية، والتكرار، والقوة: إذا فشل إنسان آلي، فإن آخرين يواصلون المهمة، ويكمن التحدي في تنسيق أعضاء الإنذار الناعم الذين لديهم قدرات محدودة في مجال الاستشعار والمراقبة.

3D Printing and Rapid Prototyping

فالصناعة الاصطناعية تؤدي إلى ثورة الروبوتات اللينة، إذ يمكن للطابعات المتعددة المواد ذات الـ 3D أن تنتج الآن هياكل غير عادية ذات قنوات متنقلة، ومجسات، بل وحتى مجهزين في بنية واحدة، مما يتيح سرعة تسرّب التصاميم الآلية المصممة خصيصا لكهوف محددة، ويمكن طبع الروبوتات المرنة في الموقع، وربما حتى من المواد المصدرة محليا (مثلا، النقل المكثف أو الرمل).

التكامل مع بعثات استكشاف الكوكب

وتنظر وكالات الفضاء، ولا سيما ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية، إلى الروبوتات اللينة بوصفها تكنولوجيا تمكينية رئيسية لاستكشاف الكهوف على سطح القمر والمريخ. وتوفر الكهوف المطيرة والمريخية درجات حرارة مستقرة وتوفر الحماية من المواقع التي يمكن أن تُستخدم فيها الإشعاعات للموائل البشرية في المستقبل.() ويمكن أن تُنشر الروبوتات الصغيرة قبل رسم خرائط هذه الكهوف، وتقييم الاستقرار الهيكلي، والبحث عن الجليد أو علامات الوزن الحي.()

خاتمة

وقد برزت نظم الروبوتات الصغيرة كنموذج جديد قوي لاستكشاف الكهوف والكهوف بصورة مستقلة، ومرونتها المتأصلة، وحسنها، وقوتها تسمح لها بالذهاب إلى حيث لا يمكن للآلات الصلبة، وفتح بيئات دون إقليمية يتعذر الوصول إليها سابقاً لإجراء تحقيق علمي، ومن كهوف حجر الليمبرات الأرضية إلى أنبوبات الغاز المحتملة على المريخ، تعد هذه الروبوتات بتقديم بيانات غير مسبوقة عن الجيولوجيا، والهيدرولوجيا، والهيدرولوجيا، والميكولوجيا، والمنا.

وبطبيعة الحال، يجب أن تتحسن التحديات التي لا تزال قائمة، والطاقة، والاستقلال الذاتي، والاتصال قبل أن يصبح الروبوتات اللينة مستكشفين روتينيين، ومع ذلك فإن وتيرة الابتكار تشير إلى أن هذه العقبات مؤقتة، ومع تزايد صرامة المواد، يصبح الإصطناع أكثر كفاءة، وأصبح الاستخبارات الاصطناعية أكثر قدرة على الملاحة في التضاريس غير المؤكدة، فإن الروبوتات اللينة ستتطور من النماذج الكيمائية إلى أدوات لا غنى عنها للاكتشاف دون الإقليمي.

وفي المرة القادمة التي يقترب فيها العلماء من محرقة عميقة مظلمة، لا يجوز لهم أن يرسلوا رصيفاً بشرياً أو معدنياً، بل مستكشفاً ليناً ومستقيماً للسيليكون يمكنه أن يضغط خلال المجهول ويعود بأجوبة، وهذا المستقبل بدأ يتشكل بالفعل.