علماء من MIT يبتكرون روبوتات مكعبة قادرة على تغيير شكلها في الفضاء
إذا واجهتَ خياراً بين إرسال سرب من الروبوتات الكاملة المستقلة إلى الفضاء أو فريق كبير من الوحدات الروبوتية الأصغر حجماً، فيمكنك اختيار الخيار الثاني.
تحمل الروبوتات المعيارية، مثل تلك التي تظهر في أفلام مثل «مدينة الأبطال»، آمالاً خاصة بفضل قدرتها على التجمع الذاتي وإعادة التشكيل. ولكن رغم الطموح الكبير إلى النشر السريع والموثوق في مجالات تشمل استكشاف الفضاء والبحث والإنقاذ وتغيير الشكل، لا تزال الروبوتات المعيارية المصنوعة حتى اليوم خرقاء إلى حد ما.
عادةً ما تُبنى من مجموعة محركات كبيرة ومكلفة لتسهيل الحركة، وهو ما يستدعي الاهتمام الضروري بهياكل أكثر قابلية للتوسع، سواء من حيث العدد أو الحجم.
لجأ علماء من مختبر علوم الحاسوب والذكاء الاصطناعي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT CSAIL) إلى الكهرومغناطيسية، أي الحقول المغناطيسية الناتجة عن حركة التيار الكهربائي، لتجنب التجميع المعتاد للمحركات الضخمة والمكلفة في وحدات منفصلة.
بدلاً من ذلك، دمجوا في حواف المكعبات مغناطيسات كهربائية صغيرة، سهلة التصنيع ورخيصة الثمن، تتنافر وتتجاذب، ما يتيح للروبوتات الدوران والتحرك حول بعضها البعض، وكذلك تغيير شكلها بسرعة.
يبلغ طول ضلع ElectroVoxel نحو 60 ملم، وتتألف المغناطيسات من قلب من الفريت (نوع من الموصلات المغناطيسية، ويبدو كأنبوب أسود صغير)، ملفوف بسلك نحاسي، بتكلفة إجمالية تبلغ 0.60 دولار فقط. وداخل كل مكعب توجد لوحات دوائر مطبوعة صغيرة وإلكترونيات تمرر التيار عبر المغناطيس الكهربائي الصحيح في الاتجاه الصحيح.
على عكس الوصلات التقليدية التي تتطلب ربطاً ميكانيكياً لعنصرين، فإن ElectroVoxel لاسلكي بالكامل، ما يبسط بدرجة كبيرة الصيانة والإنتاج لنظام واسع النطاق.
لتصور شكل مجموعة المكعبات أثناء التفاعل بشكل أفضل، استخدم العلماء مخططاً برمجياً يعرض عمليات إعادة التشكيل ويحسب توزيعات الكهرومغناطيسية الكامنة خلفها. يستطيع المستخدم التحكم في ما يصل إلى ألف مكعب بنقرات قليلة من الفأرة، أو استخدام سيناريوهات محددة مسبقاً تُرمّز عدة دورانات متتالية.
يتيح النظام فعلاً للمستخدم التحكم في مصير المكعبات ضمن حدود معقولة، إذ يمكنه تغيير السرعة وتمييز المغناطيسات وعرض الحركات اللازمة لتجنب التصادمات. ويمكنك أن تطلب من المكعبات اتخاذ أشكال مختلفة (مثل كرسي أو أريكة).
المكعبات الصغيرة الرخيصة مناسبة بشكل خاص لظروف انعدام الجاذبية، حيث يجب أن يتسع أي هيكل تريد إطلاقه إلى المدار داخل الصاروخ المستخدم في إطلاقه. وبعد التجارب الأولية لـ ElextroVoxel، اكتشف العلماء انعدام الوزن الحقيقي أثناء اختبار طيران في ظروف انعدام الوزن، مع حافز عام لتحسين أدوات استكشاف الفضاء، مثل إعادة التشكيل دون وقود أو تغيير الخصائص القصورية للمركبة الفضائية.
فعلى سبيل المثال، باستخدام التشغيل دون وقود، لا حاجة إلى إطلاق وقود إضافي لإعادة التشكيل، ما يحل كثيراً من المشكلات المرتبطة بكتلة الإطلاق وحجمه.
وهكذا، يُؤمل أن يسهم أسلوب إعادة التشكيل هذا في دعم كثير من المشاريع الفضائية المستقبلية: توسيع الهياكل الفضائية واستبدالها عبر عدة عمليات إطلاق، وإنشاء هياكل مؤقتة للمساعدة في فحص المركبات الفضائية ومساعدة رواد الفضاء، فضلاً عن تطوير نسخ مستقبلية من المكعبات تعمل كفارزات مستقلة لحاويات التخزين.
«يوضح ElectroVoxel كيفية تصميم نظام قابل لإعادة التشكيل بالكامل، ويعرّف المجتمع العلمي بالتحديات التي يجب حلها للحصول على نظام روبوتي معياري كامل الوظائف في المدار. تُظهر هذه الدراسة مدى بساطة بناء المكعبات الدوارة ذات الدفع الكهرومغناطيسي وتشغيلها وصيانتها، ما يتيح إنشاء نظام مرن ومعياري وقابل لإعادة التشكيل، يمكن أن يكون مصدر إلهام لتطوير المكونات الذكية للبعثات البحثية المستقبلية»
لكي تتحرك المكعبات، يجب أن تتبع تسلسلاً محدداً، كقطع تتريس متجانسة صغيرة. وفي هذه الحالة يتكون تسلسل الاستقطاب من ثلاث خطوات: الإطلاق والتحرك والالتقاط، وفي كل مرحلة يوجد مكعب متنقل (للحركة)، ومكعب مصدر (ينطلق منه المكعب المتنقل)، ووجهة (تلتقط المكعب المتنقل).
يمكن لمستخدمي البرنامج تحديد المكعب الذي يجب تدويره وفي أي اتجاه، وسيحسب الخوارزمية تلقائياً التسلسل والمواضع الكهرومغناطيسية اللازمة لذلك (التنافر أو التجاذب أو الإيقاف).
وفيما يخص العمل المستقبلي، فإن الانتقال من الفضاء إلى الأرض هو الخطوة التالية الطبيعية لـ ElectroVoxel، والتي ستتطلب نمذجة أكثر تفصيلاً وتحسيناً لهذه المغناطيسات لإعادة التشكيل في مواجهة الجاذبية على كوكبنا.
«عند بناء هيكل كبير ومعقد، لا تريد أن تكون محدوداً بتوافر خبرة الأشخاص الذين يجمعونه، أو بحجم وسيلة النقل لديك، أو بالظروف البيئية غير المواتية في موقع التجميع. ورغم أن هذه البديهيات صحيحة على الأرض، فإنها مهمة جداً لصنع الأشياء في الفضاء. فلو كانت لديك هياكل تتجمع من وحدات بسيطة متجانسة، لأمكنك التخلص من كثير من هذه المشكلات. وهكذا، ورغم أن المزايا المحتملة في الفضاء كبيرة بشكل خاص، فإن المفارقة تكمن في أن الديناميكية المواتية التي توفرها الجاذبية الصغرى تعني أن بعض هذه المشكلات أسهل حلاً في الواقع، إذ يمكن في الفضاء حتى للقوى الصغيرة أن تحرك أجساماً كبيرة. ومن خلال تطبيق هذه التقنية لحل المشكلات الواقعية قصيرة المدى في الفضاء، نأمل أن نطور تقنية للاستخدام المستقبلي على الأرض أيضاً»
شارك نيسر في كتابة الورقة مع ليون تشنغ وياشاسويني ماكارام من MIT CSAIL، وريو سوزوكي، الأستاذ المساعد في علوم الحاسوب بجامعة كالغاري، والبروفيسورة ستيفاني مولر من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. وسيعرضون عملهم في المؤتمر الدولي للروبوتات والأتمتة لعام 2022. وقد حظي العمل بدعم جزئي من مبادرة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لأبحاث الفضاء.
