قوة ومرونة رقبة الزرافة تلهمان إنشاء روبوت جديد في اليابان

عندما نفكر في مرونة الروبوتات، تُرى أفضل الأمثلة عادةً في الروبوتات اللينة التي تحاكي أذرع الأخطبوط أو خرطوم الفيل، وهي تمتلك بعض القدرات الفريدة. لكن معظم الحيوانات لينة ومرنة إلى حد ما، وغالباً بالاقتران مع بنية داخلية صلبة. 

هذا نظام معقد، رغم أن له بعض المزايا الكبيرة في القوة والتحكم. جرّب باحثون من معهد طوكيو للتكنولوجيا محاكاة ما يُحتمل أنه من أكثر المزائج إثارة للإعجاب بين المرونة والقوة في عالم الحيوان، وهو رقبة الزرافة. 

لا يزال العمل بحثياً في طابعه، ويهدف فقط إلى المساعدة في إيجاد سبل لنقل تشريح الحيوان الحقيقي إلى التقنية، إلا أن الرقبة الروبوتية تستطيع بالفعل التحرك على غرار نظيرتها، وحتى التكيف مع القوة المطبقة عليها (من أيدي المهندسين). لا يزال هذا النموذج الأولي بعيداً عن كل ما تستطيعه الزرافات الحية، لكن المهندسين يخططون لزيادة مرونته وتحمله.

«تمتلك رقبة الزرافة خصائص رائعة يمكن أن تكون بديلاً جيداً لبناء آلية روبوتية كبيرة. فعلى سبيل المثال، يمكن للرقبة أن تتحرك بسرعة عندما تضرب الزرافات بعضها البعض بأعناقها. كما تساعد رقبة الزرافة على منع الصدمات وتتكيف مع شكل وصلابة رقبة الخصم. في المقابل، تبقى الآلية الروبوتية التقليدية محدودة في قدراتها على تحقيق هذا المزيج من القوة والمرونة، أي أن تكون قوية مع امتلاك مقاومة للصدمات، إضافة إلى قابلية التكيف الحركي والديناميكي مع الخصم»، كما ورد في الدراسة. 

قد يصل وزن رقاب الزرافات إلى 150 كيلوغراماً وطولها إلى مترين، لكنها تطورت لتصبح مرنة وقوية ليس فقط للحصول على الأوراق اللذيذة المرتفعة، بل أيضاً لأن ذكور الزرافات تتقاتل برقابها فيما بينها، وأحياناً حتى الموت. أليس هذا مصدر إلهام مثالياً لتطوير روبوتات كبيرة، صحيح؟

كخطوة أولى نحو إنشاء روبوت قوي ومرن، بنى الباحثون روبوتاً هيكلياً عضلياً بنصف الحجم، يحاكي بنية وآلية رقبة الزرافة استناداً إلى المعارف التشريحية، وأعادوا إنتاج جزء من خصائصها.

يتألف الجهاز من آلية هيكلية مصنوعة بطابعة ثلاثية الأبعاد، وآلية لتعويض الجاذبية تحاكي الرباط القذالي باستخدام مادة مطاطية وشدّادات، ونظام تحكم عضلي مزدوج يستخدم عضلات اصطناعية رفيعة، ومفصل خاص يستخدم أقراصاً مطاطية وروابط محاكية.

تبذل الرقبة الروبوتية للزرافة قصارى جهدها لمحاكاة بنية رقبة الزرافة الحقيقية، بترتيب مماثل للفقرات والأوتار، وبعضلات اصطناعية هوائية رفيعة من نوع McKibben توفر قوة انقباض، تماماً كما تفعل العضلات الحقيقية. هذا معقد، لكنه يوفر مرونة كبيرة.

يلاحظ مؤلفو الدراسة أن الزرافات تستطيع استخدام قوة ومرونة أعناقها عند التلامس فيما بينها بطريقة غير مدمرة، وهو ما لا تستطيع فعله الأنظمة الميكانيكية التقليدية.

حتى الآن، لم يطور الباحثون آلات أو روبوتات تمتلك خصائص القوة والمرونة نفسها التي تتمتع بها رقبة الزرافة. فعلى سبيل المثال، إذا تقاتلت رافعتان صناعيتان حقيقيتان، فمن السهل تخيل أن الضرر سيكون كارثياً، وتنتهي الرافعتان محطمتين. قارن ذلك برقبة الزرافات الحقيقية، التي تكون أقل تدميراً ولا تفعل أشياء غريبة.

على أي حال، يفترض الباحثون أن تطوير نظام روبوتي يجمع بشكل عملي بين القوة والمرونة والتحكم قد يكون أسهل بنموذج رقبة الزرافة منه بنموذج خرطوم الفيل. يمكن التضحية ببعض الليونة والمرونة، وجعله يعمل فعلياً بحيث يستطيع بذل الجهد اللازم للاستخدام في التطبيقات الصناعية.

اسم هذا الروبوت هو «روبوت رقبة الزرافة رقم 1». ورغم أنه ليس الاسم الأكثر إبداعاً، فإنه يوحي بأن روبوتات أخرى ستتبعه. ويبدو أن الخطوة التالية ستكون زيادة القوة بعدة مراتب من حيث الحجم عبر استخدام محركات هيدروليكية بدلاً من الهوائية.

«تهدف هذه الدراسة إلى تطبيق هذه الخصائص الرائعة لرقبة الزرافة في تطوير آليات روبوتية. وعلى وجه الخصوص، تعاون علماء الروبوتات وعلماء التشريح الحيواني لتطوير روبوت هيكلي عضلي طويل قوي ومرن، يستند إلى تشريح رقبة الزرافة. يعمل النموذج الأولي للروبوت الهيكلي العضلي بعضلات اصطناعية هوائية رفيعة من نوع McKibben، وهي تنحني بسهولة. وتؤكد النتائج التنسيق بين العضلات والأربطة، وقابلية الشكل للتكيف مع القوة الخارجية»، أفاد الباحثون. 

تشير النتائج التجريبية إلى أن العلماء تمكنوا من تحقيق نظير روبوتي لآليات قادرة على توفير قوة ومرونة شبيهة بتلك الموجودة لدى الزرافات. ونظراً لأن التطور قد ابتكر كل أفضل الحلول الهندسية قبل أربعة مليارات سنة، لا يبقى للعلماء سوى البحث عن حلول لمشكلاتهم في الطبيعة الحية.