مهندسو جامعة ستانفورد يطورون ذراعاً روبوتية بقبضة مستوحاة من أبو بريص
حققت جامعة ستانفورد تقدماً كبيراً خلال سنوات في عملها على ذراعها الروبوتية المستوحاة من أبو بريص. وفي مايو 2021، وصلت نسخة من «قبضة أبو بريص» حتى إلى محطة الفضاء الدولية لاختبار قدرتها على تنفيذ مهام مثل جمع الحطام وتثبيت الأقمار الصناعية.
تشترك أعداد كبيرة من الأذرع الروبوتية والمشابك في عدو واحد هو «مشكلة طماطم الإرث العائلي»، كما يقول العلماء. ربما شاهدت قبضة روبوتية تلتقط البيضة ببراعة أو تتعامل جيداً مع كرة السلة، لكن على عكس اليد البشرية، نادراً ما تستطيع قبضة واحدة أن تفعل الأمرين معاً، وتبقى المهمة الأساسية مخفية في المنتصف.
«سترى أذرع الروبوت وهي تنفذ قبضة قوية وقبضة دقيقة، ثم تُوحي بأنها قادرة على فعل كل ما بينهما. أردنا أن نحل مسألة كيفية إنشاء مناولات تكون رشيقة وقوية في الوقت نفسه»
ثمرة هذا الهدف هي «farmHand»، وهي ذراع روبوتية طورها المهندسان روتولو ودين براور (طالب دراسات عليا في مختبر المحاكاة الحيوية والمناورة الرشيقة في ستانفورد، المعروف أيضاً باسم «المزرعة»)، ووُصفت بالتفصيل في ورقة نُشرت في Science Robotics. وفي اختباراتهم، أظهر الباحثون أن farmHand يستطيع التعامل مع مجموعة واسعة من الأشياء، منها البيض النيء وعناقيد العنب والأطباق وأوعية السوائل وكرات السلة وحتى المجلخة الزاوية.
يستفيد farmHand من نوعين من الإلهام البيولوجي. فبينما تشبه أصابعه متعددة المفاصل اليد البشرية، وإن كانت برباعية الأصابع، فإن الأصابع مغطاة بلاصق يشبه لاصق أبو بريص. ويستند هذا المادة الممسكة وغير اللزجة إلى بنية أصابع أقدام أبو بريص، وقد طورها خلال العقد الأخير مختبر المحاكاة الحيوية والمناورة الرشيقة بقيادة مارك كاتكوسكي، أستاذ كلية الهندسة، وهو أيضاً المؤلف الرئيسي لهذه الدراسة.
كان استخدام لاصق أبو بريص على قبضة متعددة الأصابع تشبه الإنسان مشكلة تتطلب اهتماماً خاصاً للمرة الأولى، خاصة بالأوتار التي تتحكم في أصابع farmHand، وبتصميم وسادات الأصابع أسفل اللاصق.
كما هو الحال مع أقدام أبو بريص، يوفر لاصق أبو بريص تثبيتاً قوياً بواسطة صفائح مجهرية. وعند التلامس الكامل مع السطح، تولد هذه الصفائح قوة فان دير فالس، وهي قوة جذب بين الجزيئات ضعيفة تنشأ من فروق دقيقة في توزيع الإلكترونات على الجانب الخارجي للجزيئات. ونتيجة لذلك، يستطيع اللاصق أن يتشبث بقوة، لكن ذلك يتطلب جهداً بسيطاً. ومن الميزات الإضافية أنه لا يبدو لزجاً عند اللمس ولا يترك أثراً.
«كانت أولى تطبيقات لاصق أبو بريص مرتبطة بتسلق الروبوتات، أو تسلق البشر، أو الإمساك بأجسام كبيرة جداً وملساء في الفضاء. لكننا فكرنا دائماً في استخدامه في تطبيقات أكثر عملية. المشكلة أن لاصق أبو بريص حساس جداً في الواقع»
الفكرة هي أن لاصق أبو بريص يجب أن يلتصق بالسطح بطريقة محددة كي يفعّل قوة فان دير فالس. ويسهل التحكم في ذلك عندما يُوضع بسلاسة على سطح مستوٍ، لكنه يصبح أصعب بكثير عندما يتطلب الإمساك استخدام عدة أجزاء لاصقة تلامس الجسم بزوايا مختلفة، كما هو الحال مع farmHand.
تساعد وسادات أصابع farmHand، الواقعة أسفل مناطق اللاصق، في حل هذه المشكلة. فهي مصنوعة من بنية مطوية ذات أضلاع تنحني بجهد بسيط. وبغض النظر عن الموضع أو زاوية التلامس، تنحني الأضلاع باستمرار لتوزيع قوى متساوية على الوسادات اللزجة ومنع انزلاق أي منها مبكراً.
«إذا حركت هذه الأضلاع، فإن الانحناء يؤدي إلى قوة متساوية، بغض النظر عن نقطة البداية. هذا سلوك فيزيائي بسيط يمكن تطبيقه حتى خارج مجال الروبوتات، مثل استخدامه في أخمص الأحذية أو إطارات المركبات الوعرة»
تلعب الأوتار في الذراع دوراً حاسماً أيضاً، لأنها تسمح بتمديد الضغط بشكل مفرط. وبينما تضغط كثير من الأذرع والمشابك الروبوتية على الأجسام على شكل حرف «C»، كما لو كانت ترفع شيئاً بأطراف الأصابع، فإن farmHand يضغط الوسادة بطرف الإصبع ويضغطها على وسادة أخرى. وهذا يمنح اللاصق مساحة سطح أكبر للعمل.
كان الوصول إلى التصميم الصحيح صعباً بشكل خاص، لأن المحاكاة الحاسوبية الحالية تجعل التنبؤ بالأداء الحقيقي مع الأجسام الناعمة أمراً عسيراً، وهذا عامل آخر في مشكلة القبضات الروبوتية. لكن الباحثين استفادوا كثيراً من إمكانية الطباعة ثلاثية الأبعاد واختبار مكونات بلاستيكية صلبة وناعمة كثيرة في دورات سريعة نسبياً. ويذهبون إلى حد الاعتقاد بأن نجاحهم ربما كان مستحيلاً، أو على الأقل أبطأ بكثير، قبل خمس سنوات فقط.
قد تظهر تحسينات أخرى في farmHand على شكل ميزات تغذية راجعة تساعد المستخدمين على فهم طريقة الإمساك وكيفية تحسينه عند استخدام الذراع. ويدرس الباحثون أيضاً التطبيق التجاري لعملهم.
