ذاكرة الحاسوب ذات المحرك الهوائي تساعد الروبوت على التحكم في حركاته
قدّم مهندسو جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد في صيف 2021 ذاكرة حاسوب تعمل بالمحرك الهوائي، يمكن استخدامها للتحكم في الروبوتات اللينة. يتغلب هذا الابتكار على إحدى أكبر العقبات أمام تطور الروبوتات اللينة، وهي عدم التوافق الجوهري بين الهواء المضغوط والإلكترونيات. نشر الباحثون عملهم في مجلة PLOS One.
جاء في الورقة العلمية: «تتمتع الروبوتات اللينة ذات المحرك الهوائي بمزايا على الروبوتات الصلبة التقليدية في كثير من مجالات الاستخدام. فأجسامها المرنة وحركاتها الهوائية الناعمة تجعلها أكثر ملاءمة للعمل بالقرب من البشر وغيرهم من الأجسام التي قد تتعرض للإصابة أو التلف على يد الروبوتات التقليدية. غير أن الأنظمة الحالية للتحكم في الروبوتات اللينة تتطلب حاليًا معدات كهروميكانيكية خاصة (عادةً صمامات ملفات لولبية) للحفاظ على حالة التشغيل (الممتدة أو المنضغطة) لكل محرك مستقل».
تستخدم الروبوتات اللينة الهوائية الهواء المضغوط لتحريك أطراف وقابضات مرنة ومطاطية. وهي أفضل بكثير من الروبوتات الصلبة التقليدية في أداء المهام الدقيقة. كما أن هذه الروبوتات أكثر أمانًا للبشر.
ومع ذلك، لا تزال الأنظمة الحالية للتحكم في الروبوتات اللينة الهوائية تعتمد على الصمامات الإلكترونية والحواسيب للحفاظ على وضع الأجزاء المتحركة للروبوت. وتزيد هذه المكونات الإلكترونية بشكل كبير من تكلفة الروبوتات اللينة وحجمها واستهلاكها للطاقة، مما يحد من قدراتها.
لتطوير الروبوتات اللينة نحو المستقبل، لجأ فريق يقوده الدكتور في الهندسة الحيوية شين هوانغ، والأستاذ في الهندسة الحيوية ويليام غلوفر، والأستاذ في علوم الحاسوب فيليب بريسك، والأستاذ في الهندسة الميكانيكية قسطنطينوس كاريديس، إلى الماضي.
سبقت «المنطق الهوائي» الحواسيب الإلكترونية، وكان يوفر في وقت ما مستوى متقدمًا من التحكم في منتجات متنوعة، من منظمات الحرارة وغيرها من مكونات التحكم المناخي، إلى البيانو في أوائل القرن العشرين. وفي المنطق الهوائي يمر الهواء لا الكهرباء عبر الدوائر أو القنوات، ويُستخدم ضغط الهواء للدلالة على التشغيل/الإيقاف أو الصواب/الخطأ. وفي الحواسيب الحديثة تُمثَّل هذه الحالات المنطقية بالرمزين 1 و0 لتشغيل الشحنات الكهربائية أو إيقافها.
تحتاج الروبوتات اللينة الهوائية إلى طريقة لتذكّر الأجزاء المتحركة والحفاظ على وضعها. وأدرك الباحثون أنهم إن استطاعوا إنشاء «ذاكرة» منطقية هوائية للروبوت اللين، فسيتمكنون من الاستغناء عن الذاكرة الإلكترونية المستخدمة حاليًا لهذا الغرض.
قام الباحثون ببناء شريحة ذاكرة وصول عشوائي (RAM) هوائية، تعمل باستخدام صمامات ميكروسيالة بدلاً من الترانزستورات الإلكترونية. وقد صُمّمت صمامات الميكروسيالة في الأصل للتحكم في تدفق السوائل على الرقائق المخصصة لذلك، لكنها يمكنها أيضاً التحكم في تدفق الهواء.
تبقى الصمامات مغلقة بفعل فرق الضغط حتى عند فصلها عن خط إمداد الهواء، فتنشأ فروق ضغط مؤجلة تعمل كذاكرة وتحافظ على حالات مشغلات الروبوت. ويمكن لمصفوفات كثيفة من هذه الصمامات تنفيذ عمليات معقدة وتقليص استخدام المعدات الإلكترونية المكلفة والضخمة والمستهلكة للطاقة، والمعتادة في التحكم في الروبوتات الهوائية.
بعد تعديل الصمامات الميكروسائلية لتعمل مع تدفقات هوائية كبيرة، أنشأ الفريق شريحة ذاكرة وصول عشوائي هوائية 8 بت، قادرة على التحكم في روبوتات لينة أكبر وأسرع حركة، ودمجها في زوج من الأذرع المطاطية المطبوعة بطابعة ثلاثية الأبعاد. تستخدم ذاكرة الوصول العشوائي الهوائية هواء الضغط الجوي لتمثيل القيمة «0» أو «خطأ»، والفراغ لتمثيل القيمة «1» أو «صواب». وتبرز أصابع الروبوت اللينة عند الضغط الجوي وتنكمش عند توصيلها بالفراغ.
ومن خلال تنويع تركيبات الضغط الجوي والفراغ في القنوات على الشريحة، تمكن الباحثون من جعل الروبوت يعزف نوتات وكورالات بل وأغنية كاملة «Mary Had a Little Lamb» على البيانو.
من الناحية النظرية، يمكن استخدام هذا النظام للتحكم في روبوتات أخرى دون أي معدات إلكترونية، ومع مضخة تعمل بالبطارية لإنشاء الفراغ فقط. ويشير الباحثون إلى أنه في حال عدم وجود ضغط موجب في أي مكان بالنظام، أي عند الضغط الجوي الطبيعي للهواء فقط، لا توجد مخاطر لارتفاع الضغط بشكل عرضي أو لعطل خطير في الروبوت أو نظام تحكمه.
ستكون الروبوتات التي تستخدم هذه التقنية آمنة بشكل خاص للاستخدام الدقيق مع البشر أو بالقرب منهم، مثل الأجهزة القابلة للارتداء للرضع الذين يعانون من اضطرابات حركية.
بالطبع، لا تزال هذه التقنية بعيدة عن الاستخدام اليومي. فإلى جانب التحسينات اللازمة في التعقيد والسرعة، ستحتاج الروبوتات إلى نسخ برمجية من المعالجات ومكونات أخرى للاستغناء تمامًا عن الإلكترونيات الصلبة. لكن الهدف واضح. فالذاكرة الهوائية يمكن على الأقل أن تقلل الحاجة إلى الرقائق في الروبوتات اللينة، وتشير إلى مستقبل الروبوتات المرنة بالكامل التي لن تؤذيك عند الاصطدام.
