مشكلة الحرارة في الروبوتات

وتولد الأجهزة الإلكترونية الآلية ذات الأداء العالي حرارة كبيرة أثناء العمليات، مما يمكن أن يضعف الأداء الوظيفي ويقلل من العمر، حيث يصبح الآليون أكثر قوة واستقلالية، ويستخدمون حواسيبهم على متن السفينة، ويشعرون، ويجمعون أنظمة الاختراع الكثافة المتزايدة للطاقة في شكل فوضوي مدمجة، وتزيد المجهزات مثل وحدات التجهيز العالمي للبيانات الجمركية، وأجهزة الدفع المتحركة، ووحدات الفرز العالي الدقة، وتسهم جميعها في زيادة الحرارة الحرارية)٢(.

فبعد التحلل البسيط، يمكن أن تسبب الحرارة المفرطة عدم استقرار النظام الفوري، فالطريق الحراري في البطاريات، والزهور المشترك المباع، والهجرة الكهرومغناطيسية في السيليكون هي أساليب فشل موثقة جيداً، وبالنسبة للآليات العاملة في التطبيقات الحرجة مثل المساعدة الجراحية، والاستجابة للكوارث، أو فشل التبريد المستقل يمكن أن يوقف العمليات أو يخلق مخاطر أمنية، ولذلك فإن وضع نظم مبتكرة للتبريد أمر أساسي لضمان تشغيل هذه الآلات المتقدمة بكفاءة.

مصادر الحرارة في الأجهزة الآلية العالية الأداء

وتنشأ الحرارة المتولدة في الروبوتات من عدة نظم فرعية مختلفة، والحساب مصدر رئيسي: فالاستناد إلى أجهزة حديثة للتصنيف الصناعي، والتحكم في الوقت الحقيقي يعتمد على مجهزات متعددة العناصر تسحب عشرات إلى مئات من الخانات، والمركبات الكهربائية والإلكترونيات التي تعمل بها، ولا سيما في أجهزة التلاعب المبتذلة أو العالية السرعة، وتنتج السائلة الكهربية والخسائر في الفرن.

وفي الأجهزة الآلية المتنقلة، فإن الحجم المحدود لبواليع ومعجبي الحرارة يجعل الإدارة الحرارية صعبة بوجه خاص، فعلى سبيل المثال، يجب أن توازن بين بناء الوزن الخفيف والتبريد الكافي لمراقبي الرحلات الجوية وأجهزة دعم الطاقة، وبالمثل، لا يمكن للآليات البشرية العاملة في الأماكن التي يشغلها الإنسان أن تعتمد على نظم التبريد المزعجة أو السوائب التي من شأنها أن تزعج البيئة.

آثار عدم كفاية الترشيد

فعندما تقصر نظم التبريد، يكون خط الدفاع الأول عادةً هو التقلب الحراري: إذ تقلل المجهزات سرعة ساعات الاستهلاك من الطاقة المنخفضة، مما يؤدي إلى تدهور مباشر في الأداء والارتطام، وفي مهام حساسة التوقيت مثل إمساك الجسم أو الملاحة، يمكن أن يتسبب هذا التباطؤ في فوات الآجال أو انتهاكات السلامة، ويعجل التعرض الطويل للحرارة العالية في بلوغ الحد الأدنى من العمر - كل 10 درجات مئوية أعلى من المعدل الطبيعي

حدود أساليب التبريد التقليدية

وكثيرا ما تكون أساليب التبريد التقليدية التي توضع للحواسيب الإلكترونية المكتبية أو لرف الخواديم قصيرة عندما تطبق على الروبوتات، وتحتاج القيود الفريدة من حيث الحجم والوزن والحركة والبيئة إلى حلول تتجاوز المراوح والوعات الحرارية.

قاذفة الهواء

فالأفكار بسيطة وغير مكلفة، ولكنها تتطلب مسارات للتدفق الجوي المفتوحة التي نادرا ما تكون متاحة داخل ضيوف الروبوت المختومة، وفي الجو الغباري أو الرطب أو المفجّر، تصبح المعجبات غير عملية لأنها ترسم في ملوثات، وحتى عندما تختفي المراوح من الطاقة الكهربائية وتولد الضوضاء والهز، وتخلق نقاط فشل بسبب قطع الغيار، أو تتقلص المنابر الآلية.

سائل التبريد

كما أن نظم التبريد السائل المائي (اللوحات القديمة والمضخات والمشعات) توفر قدرة حرارية عالية ولكنها تعاني من مخاطر السائبة والوزن والاحتمالية للتسرب، كما أن المضخة والمستودعات تضيف كتلة كبيرة، وهي مشكلة بالنسبة للآليات الجوية أو المتنقلة، كما أن أداء التصفيات والتجهيزات يمكن أن يُبَخَّص أو يُتدهور بسبب الصدمة الميكانيكية والهوية التي تُعدُّ من الصيانة الآلية.

"الدب السينك"

وتعتمد المصاريف الحرارية البسيطة على الانتصاب الطبيعي والإشعاع، فبدون تدفق الهواء القسري، يقتصر أداؤها على التدفق الحرفي تحت ما يتراوح بين 10 و20 و2 و20 و2، أما بالنسبة للالكثافة العالية، فإن ارتفاع الفول والحجم يصبحان باهظين، كما أن الأسطح الممتدة تضيف الكتلة ويمكن أن تتداخل مع الديناميات الآلية، وفي التطبيقات التي تتطلب حماية جريئة (IP54 أو أعلى)، يجب أن تكون البوالوعة حرارية مضافة خارجية

Innovative Coling Technologies for Robotics

وتهدف الابتكارات الأخيرة إلى التغلب على هذه القيود عن طريق الأخذ بأساليب التبريد المتقدمة المصممة خصيصا للأجهزة الإلكترونية الآلية، وتشمل هذه الوسائل مواد تغيير المرحلة، ومبادلات الحرارة بالمايكرونات، وأجهزة التبريد الحراري، والتقنيات الناشئة مثل تبريد الرش، والأنابيب الحرارية.

مواد تغير المرحلة

وتستوعب المواد الكيميائية الحرارية في مرحلة الانتقال (متصلبة إلى السائل) وتطلقها أثناء الترسيب، مما يوفر تأثير تبريدي سريع مع ارتفاع القدرة الحرارية 150 إلى 250 يغم من الشمعات أو الهدرات المحتوية على مواد ملوثة على الترميزات العضوية الثابتة، ويزيد من وزنها [العمليات الآلية].

أجهزة تبادل أجهزة التحكم بالهوت الدقيقة

وتستخدم أجهزة التبريد الصغيرة صفائف من القنوات الدقيقة (100-1000 ميكروغرام الهيدروليكية) لزيادة المساحة السطحية لنقل الحرارة الملوّثة، ويمكن أن تدمج مواصفات نقل الحرارة بطريقة غير دقيقة (الأجهزة الآلية ذات الصبغة الدقيقة) في عدة أجهزة مصغرة ذات قدرة على إحداث الاحتراق.

المبردات الحرارية

وتستغل مبردات الطاقة الحرارية أثراً من نوع " البيتا " : فعندما تتدفق حالياً من خلال مزيج من مواد متفرقة، تُمتص الحرارة من الجانب البارد وتُرفض من الناحية الساخنة، وتكون الجماعات الاقتصادية الإقليمية ذات قدرة آلية صلبة، هادئة، متماسكة، ويمكن أن تحقق درجة حرارة دقيقة - مثل أجهزة الاستشعار أو أجهزة الاستديوكات الليزرية في الروبوتات.

التبريد بالرش والهواء

ويستخدم التبريد بالأشعة سوائل حمائية جيدة تتفاخر عند الاتصال بالأسطح الساخنة، وتتحقق من التدفق الحراري للأجهزة الكهربائية ذات القدرة العالية والكهرباء، وتدير السائلة ذات السرعة العالية على السطح، وتتحقق أيضاً من عوامل تقلص شديد، وتستكشف الطرقات في أجهزة التبريد ذات القدرة العالية والكهرباء الإلكترونية.

Heat Pipes and Vapor Chambers

إن الأنابيب الحرارية وغرف البخار هي أجهزة مرنة ذات مرحلتين تنقل الحرارة على مسافة بدون مضخات، وحاوية مختومة ذات هيكل شرير ومهرول من السائل المتحرك في النهاية الساخنة، وتعيد السائل عن طريق التصفيق، ويمكن أن تكون رقيقة (ثلاثة إلى خمسة مم بالنسبة لغرف التبريد) وتتحول إلى مفاصل آلي متحرك.

تحديات التكامل وحلوله

ويتطلب إدماج أي تكنولوجيا متقدمة للتبريد في آلية تبادل دقيق، ويجب على المهندسين أن ينظروا في دورة عمل الروبوت، ومظروف التشغيل، والتكاليف، وتجمع التصميمات الناجحة بين تقنيات متعددة - مثل أجهزة التحكم في استخدام الذروة العابرة، والميكانيكيات الدقيقة للحمولة الأساسية، وغرفة التبخر لنشر الحرارة.

الفضاء والزمن

(ب) كل [غرام مضاف إلى آلي - لا سيما طائرة أو مرخصة - يقلل من الحمولة أو تحملها، ويجب أن تكون نظم التبريد خفيفة الوزن ومضغوطة، وتتوفر للمركبات قدرة عالية الوزن (الطاقة لكل كيلوغرام)، ولكن القدرة على التمشيط الحراري؛ ويمكن تحسين ذلك بإضافة رغاوي معدنية أو رسم بياني.

Reliability in Harsh Environments

وكثيرا ما تعمل الأجهزة في بيئات هزازية أو غبارية أو رطبة أو عدوانية كيميائيا، ويجب أن تنجو نظم التبريد من حمولات الصدمة، والحركة المستمرة، ودرجات الحرارة القصوى، وتستحدث التبريد النشط مع المضخات والمعجبين ارتطاما آليا، والنظم السلبية مثل الأنابيب الحرارية، وأجهزة التحكم الغذائي، وأجهزة التكييف التقني أكثر قوة، كما أن تضييق حلقة التبريد بأكملها ضد الطور الها هو أمر إلزامي بالنسبة للتركيب في البيئة الإجهاد الناتج عن المواد الإجهادي

نظم الإدارة الحرارية الذكية

وبدلاً من نظام التبريد الثابت، يمكن للآليات الحديثة أن تستفيد من الإدارة الحرارية النشطة التي تتكيف مع الظروف الراهنة، وتعطي أجهزة الاستشعار التي تستخدم في درجة الحرارة (الأجهزة الحرارية، أو أجهزة التصوير بالأشعة تحت الحمراء) بيانات عن جهاز التحكم الذي يُحدِّد القدرة على التبريد: زيادة تدفق المضخات، أو إحداثيات الترميز، أو تكييف سرعة الترهيب.

الاتجاهات المستقبلية في الإدارة الحرارية للروبوتات

ومع تقدم تكنولوجيا الروبوتات، ستزداد نظم التبريد تطورا مع إدماج أجهزة الاستشعار الذكية، والتحكم التكييفي، والمواد الجديدة، والهدف ليس إزالة الحرارة فحسب، بل القيام بذلك بكفاءة وصمت وبحد أدنى من الوزن.

نانوماتيوسيتس وشركات متقدمة

ويمكن أن تؤدي المواد القائمة على الكربون مثل الغرافيين ونانووب الكربون إلى حدوث انحرافات حرارية تتجاوز ٠٠٠ ٣ و/م ك، أي أعلى بكثير من مستوى النحاس الذي يبلغ ٤٠٠ دبليو/م ك.

التكييف والانتقام

وسيتكامل نظام التبريد في المستقبل بشكل صارم مع نظام الرقابة الآلي، وباستخدام النماذج الحرارية ودمج أجهزة الاستشعار، سيخصص الآليون بصورة دينامية موارد التبريد على أساس المسارات، وظروف التخييم، وأولوية المهام، فعلى سبيل المثال، يمكن للطائرة التي تقوم بعملية مناورة عالية السرعة أن تعطي الأولوية لتبريد السيارات على التبريد الحاسوبي، بينما يتحول عنصر التهدئة الأمثل إلى نهج التفتيش على الإنترنت.

التبريد المُلهم بيولوجياً

وتوفر الطبيعة حلولاً بارزة للإدارة الحرارية في ظل قيود شديدة، كما أن الباحثين، وهم يضعفون نظام الدورة الدموية البشرية، يطورون شبكات تبريد " مثقفة " داخل الهياكل الآلية باستخدام مواد تضحية تترك وراء الميكانيكيات الدقيقة، كما أن هناك نُهجاً متطورة للتبريد المائي مثل الترميز في البرود.

خاتمة

إن نظم التبريد المبتكرة حيوية للجيل القادم من الروبوتات ذات الأداء العالي، إذ أن اعتماد تكنولوجيات متقدمة مثل مواد التغيير التدريجي، ومبادلات الحرارة الدقيقة، ومبردات الطاقة الحرارية، والأنابيب الحرارية، يمكن للمهندسين التغلب على تحديات التشت الحراري التي تحد من الأداء والموثوقية، واستمرار تطوير الإدارة الحرارية الذكية، والتصميمات النانوية، والتصميمات الآلية ذات الطابع البيولوجي ستؤدي إلى زيادة كفاءة