قام العلماء بطباعة يد روبوتية ثلاثية الأبعاد بعظام وأوتار تشبه الإنسان

هل تساءلت يومًا عن سبب عدم قدرة الروبوتات على المشي وتحريك أجسامها بسلاسة مثلنا؟ بعض يمكن للروبوتات الجري أو القفز أو الرقص بكفاءة أكبر من البشر، لكن حركات أجسادهم تبدو ميكانيكية أيضًا. والسبب في ذلك يكمن في العظام التي يفتقرون إليها.

على عكس البشر والحيوانات، لا تمتلك الروبوتات عظامًا حقيقية أو أنسجة مرنة تربط بينها؛ لديهم وصلات ومفاصل صناعية مصنوعة من مواد مثل ألياف الكربون والأنابيب المعدنية. وفقًا لروبرت كاتزشمان، أستاذ الروبوتات في ETH Zurich، فإن هذه الهياكل الداخلية تسمح للروبوت بالقيام بالحركات، والاستيلاء على الأشياء، والحفاظ على أوضاع مختلفة. ومع ذلك، نظرًا لأن الروابط والمفاصل مصنوعة من مواد صلبة، فإن أجسام الروبوتات ليست مرنة ورشيقة وناعمة مثل الأجسام البشرية. وهذا ما يجعل حركات أجسادهم قاسية للغاية.

لكنهم قد لا يحتاجون إلى البقاء متصلبين لفترة طويلة. اكتشف فريق من الباحثين من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا (ETH) في زيوريخ وشركة Inkbit الناشئة في الولايات المتحدة طريقة لطباعة أول يد روبوتية في العالم بتقنية ثلاثية الأبعاد ببنية داخلية تتكون من عظام وأربطة وأوتار تشبه الإنسان. ما يجعل اليد أكثر تميزًا هو أنها تمت طباعتها باستخدام طريقة ترسيب نفث الحبر ثلاثية الأبعاد جديدة تمامًا تسمى النفث المتحكم في الرؤية (VCJ).

الطباعة ثلاثية الأبعاد مقابل الروبوتات

في الوقت الحالي، تُصنع الروبوتات المطبوعة ثلاثية الأبعاد عادةً باستخدام بولي أكريلات سريعة المعالجة. هذه البوليمرات متينة وتتصلب بسرعة أثناء الترسيب. ومع ذلك، لتجنب أي مخالفات، “تتطلب كل طبقة مطبوعة استواءًا ميكانيكيًا [the process of smoothing an uneven surface by using mechanical force]مما يحد من مستويات النعومة ونوع كيمياء المواد التي يمكن استخدامها ملحوظة. هذا هو السبب في المعيار الروبوتات المطبوعة ثلاثية الأبعاد ليست مرنة جدًا ومحدودة في أشكالها وموادها.

بسبب التصلب السريع للمواد المطبوعة، ليس لدى العلماء الوقت الكافي لإجراء تعديلات على طبقات مختلفة، ويجب عليهم استخدام خطوات التصنيع منفصلة والتجميع لصنع المكونات المختلفة لروبوت واحد. بمجرد الانتهاء من طباعة كل جزء، يقومون بتجميع هذه القطع المختلفة واختبارها بدقة، مما يجعل العملية تستغرق وقتًا طويلاً ومملة.

هذا هو المكان الذي يمكن لطريقة VCJ المقترحة أن تحدث فرقًا كبيرًا. هذا الطباعة ثلاثية الأبعاد تضمنت العملية استخدام بوليمرات ثيولين ناعمة وبطيئة المعالجة. “هذه لها خصائص مرنة جيدة جدًا وتعود إلى حالتها الأصلية بشكل أسرع بكثير بعد الانحناء مقارنة بالبولي أكريلات”. قال كاتزشمان، أحد مؤلفي ورقة بحثية جديدة تصف الطريقة الجديدة.

إعادة النظر في الطباعة ثلاثية الأبعاد للروبوتات

في نظام VCJ، بالإضافة إلى طابعة ثلاثية الأبعاد، يوجد ماسح ضوئي ليزر ثلاثي الأبعاد يقوم بفحص كل طبقة بصريًا بحثًا عن عدم انتظام السطح أثناء ترسبها. “إن هذا الفحص البصري يجعل عملية الطباعة غير تلامسية تمامًا، مما يسمح بإيداع نطاق أوسع من البوليمرات الممكنة. “نحن، على سبيل المثال، قمنا بالطباعة باستخدام البوليمرات القائمة على الثيول لأنها مكنتنا من إنشاء هياكل مقاومة للأشعة فوق البنفسجية والرطوبة،” قال كاتزشمان لآرس تكنيكا.

بعد المسح، لا يوجد استواء ميكانيكي للطبقة المودعة. بدلاً من ذلك، تتم طباعة الطبقة التالية بطريقة تعوض جميع المخالفات الموجودة في الطبقة السابقة. “تعوض آلية التغذية الراجعة هذه المخالفات عند طباعة الطبقة التالية عن طريق حساب أي تعديلات ضرورية على كمية المادة المراد طباعتها في الوقت الفعلي وبدقة متناهية.” قال فويتشخ ماتوسيك، أحد مؤلفي الدراسة وأستاذ علوم الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

علاوة على ذلك، يدعي الباحثون أن نظام التحكم في الحلقة المغلقة هذا يسمح لهم بطباعة الهيكل الكامل للروبوت مرة واحدة. “يمكن طباعة يدنا الآلية دفعة واحدة، دون الحاجة إلى التجميع. يؤدي هذا إلى تسريع عملية التصميم الهندسي بشكل كبير، حيث يمكن للمرء الانتقال مباشرة من الفكرة إلى نموذج أولي عملي ودائم. وأضاف كاتشمان: “إنك تتجنب الأدوات والتجميع الوسيطة باهظة الثمن”.

وباستخدام تقنية VCJ، تمكن الباحثون من الطباعة بنجاح يد روبوتية التي لها هياكل داخلية تشبه تلك الموجودة في يد الإنسان. تحتوي اليد الروبوتية، المجهزة بلوحات اللمس وأجهزة استشعار الضغط، على 19 هيكلًا يشبه الوتر (في البشر، الأوتار هي الأنسجة الضامة الليفية التي تربط العظام والعضلات) التي تسمح لها بتحريك المعصم والأصابع. يمكن لليد أن تستشعر اللمس، وأن تمسك الأشياء، وأن توقف الأصابع عندما تلمس شيئًا ما. (استخدم الباحثون بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي من يد بشرية حقيقية لوضع نموذج لبنائها).

مستقبل VCJ

بالإضافة إلى اليد، قاموا أيضًا بطباعة قلب آلي، وروبوت ذو ستة أرجل، و مادة خارقة قادرة على امتصاص الاهتزازات في محيطها. يقترح الباحثون أن جميع هذه الروبوتات تعمل مثل أنظمة هجينة صلبة وناعمة (روبوتات مصنوعة من مواد ناعمة وصلبة) يمكنها أن تتفوق على الروبوتات الصلبة من حيث المرونة والتغلب على المشكلات المتعلقة بالتصميم والحجم التي تواجهها الروبوتات. الروبوتات الناعمة.

نظرًا لأن الروبوتات الناعمة مصنوعة من مواد مرنة مثل السوائل أو المطاط الصناعي، فمن الصعب على العلماء الحفاظ على هندستها وقوتها على نطاقات أكبر، حيث قد تكون المواد النضال من أجل الاحتفاظ خصائصها الفيزيائية وسلامتها الهيكلية. بالإضافة إلى ذلك، من الأسهل بكثير التحكم في روبوت ناعم بمقياس سنتيمتر أو ملليمتر وتشغيله؛ هذا هو السبب في أنها أصبحت أصغر حجما. من ناحية أخرى، يمتلك VCJ القدرة على إنشاء روبوتات هجينة صلبة وناعمة وقابلة للتطوير.

“نتوقع أن تحل VCJ في النهاية محل جميع طرق الطباعة النافثة للحبر القائمة على الاتصال. مع VCJ، يمكنك البدء في إنتاج الأجزاء الوظيفية للروبوتات والمزروعات الطبية والعديد من الصناعات الأخرى. إن الدقة العالية وخصائص المواد المناسبة وعمرها الطويل تجعل المطبوعات من نظام VCJ مفيدة جدًا لكل من التطبيقات البحثية والتجارية، “قال كاتشمان لـ Ars Technica.

الطبيعة، 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06684-3(حول معرفات الهوية الرقمية (DOIs).)

روبيندرا براهامبات صحفي ومخرج أفلام ذو خبرة. وهو يغطي أخبار العلوم والثقافة، وعلى مدى السنوات الخمس الماضية، كان يعمل بنشاط مع بعض وكالات الأنباء والمجلات والعلامات التجارية الإعلامية الأكثر ابتكارًا العاملة في أجزاء مختلفة من العالم.