وحدة تحكم مستوحاة من النبات يمكنها تسهيل تشغيل الأذرع الآلية في بيئات العالم الحقيقي

تستمد العديد من أنظمة الروبوتات الحالية إلهامها من الطبيعة، حيث تقوم بإعادة إنتاج العمليات البيولوجية أو الهياكل الطبيعية أو السلوكيات الحيوانية بشكل مصطنع لتحقيق أهداف محددة. وذلك لأن الحيوانات والنباتات مجهزة بالفطرة بالقدرات التي تساعدها على البقاء في بيئاتها الخاصة، وبالتالي يمكن أن يؤدي ذلك أيضًا إلى تحسين أداء الروبوتات خارج إعدادات المختبر.

"إن أذرع الروبوت الناعمة هي جيل جديد من المتلاعبين الآليين الذين يستلهمون قدرات التلاعب المتقدمة التي تظهرها الكائنات الحية" الخالية من العظم "، مثل مخالب الأخطبوط، وجذوع الأفيال، والنباتات، وما إلى ذلك،" إنريكو دوناتو، أحد الباحثين الذين نفذوا المشروع وقالت الدراسة لـ Tech Xplore. "إن ترجمة هذه المبادئ إلى حلول هندسية يؤدي إلى أنظمة مصنوعة من مواد مرنة خفيفة الوزن يمكن أن تخضع لتشوه مرن سلس لإنتاج حركة متوافقة وحاذقة. ونظرًا لهذه الخصائص المرغوبة، تتوافق هذه الأنظمة مع الأسطح وتظهر المتانة المادية والتشغيل الآمن للإنسان بتكلفة منخفضة محتملة.

في حين يمكن تطبيق أذرع الروبوت الناعمة على مجموعة واسعة من مشاكل العالم الحقيقي، إلا أنها يمكن أن تكون مفيدة بشكل خاص لأتمتة المهام التي تنطوي على الوصول إلى المواقع المطلوبة التي قد يتعذر على الروبوتات الصلبة الوصول إليها. تحاول العديد من فرق البحث مؤخرًا تطوير وحدات تحكم تسمح لهذه الأذرع المرنة بمعالجة هذه المهام بفعالية.

وأوضح دوناتو: "بشكل عام، يعتمد عمل وحدات التحكم هذه على صيغ حسابية يمكنها إنشاء رسم خرائط صالح بين مساحتين تشغيليتين للروبوت، أي مساحة المهمة ومساحة المشغل". "ومع ذلك، يعتمد الأداء السليم لوحدات التحكم هذه بشكل عام على ردود الفعل البصرية التي تحد من صلاحيتها داخل البيئات المختبرية، مما يحد من إمكانية نشر هذه الأنظمة في البيئات الطبيعية والديناميكية. هذه المقالة هي المحاولة الأولى للتغلب على هذا القيد الذي لم تتم معالجته وتوسيع نطاق هذه الأنظمة لتشمل البيئات غير المنظمة.

وقال دوناتو: "على عكس الاعتقاد الخاطئ الشائع بأن النباتات لا تتحرك، تتحرك النباتات بنشاط وبشكل هادف من نقطة إلى أخرى باستخدام استراتيجيات الحركة القائمة على النمو". "هذه الاستراتيجيات فعالة للغاية بحيث يمكن للنباتات استعمار جميع الموائل على هذا الكوكب تقريبًا، وهي قدرة تفتقر إليها المملكة الحيوانية. ومن المثير للاهتمام، على عكس الحيوانات، أن استراتيجيات حركة النباتات لا تنبع من الجهاز العصبي المركزي، بل تنشأ بسبب أشكال متطورة من آليات الحوسبة اللامركزية.

تحاول استراتيجية التحكم التي يقوم عليها عمل وحدة التحكم الخاصة بالباحثين تكرار الآليات اللامركزية المتطورة التي تقوم عليها حركات النباتات. استخدم الفريق على وجه التحديد أدوات الذكاء الاصطناعي القائمة على السلوك، والتي تتكون من عوامل حوسبة لا مركزية مدمجة في هيكل تصاعدي.

قال دوناتو: "تكمن حداثة وحدة التحكم المستوحاة من الحيوية لدينا في بساطتها، حيث نستغل الوظائف الميكانيكية الأساسية لذراع الروبوت الناعمة لتوليد سلوك الوصول الشامل". "على وجه التحديد، يتكون ذراع الروبوت الناعم من ترتيب زائد عن الحاجة من الوحدات الناعمة، يتم تنشيط كل منها من خلال ثلاثية من المحركات المرتبة شعاعيًا. ومن المعروف أنه لمثل هذا التكوين، يمكن للنظام توليد ستة اتجاهات انحناء أساسية.

تستغل عوامل الحوسبة التي تدعم عمل وحدة التحكم الخاصة بالفريق سعة وتوقيت تكوين المشغل لإعادة إنتاج نوعين مختلفين من حركات النبات، المعروفة باسم الاستدارة والانتحاء الضوئي. الدوران عبارة عن تذبذبات شائعة في النباتات، في حين أن التوجه الضوئي عبارة عن حركات اتجاهية تجعل فروع النبات أو أوراقه أقرب إلى الضوء.

يمكن لوحدة التحكم التي أنشأها دوناتو وزملاؤه التبديل بين هذين السلوكين، مما يحقق التحكم المتسلسل للأذرع الآلية الممتدة عبر مرحلتين. أول هذه المراحل هي مرحلة الاستكشاف، حيث تستكشف الأذرع محيطها، بينما الثانية هي مرحلة الوصول، حيث تتحرك للوصول إلى الموقع أو الشيء المطلوب.

وقال دوناتو: "لعل أهم ما يمكن استنتاجه من هذا العمل بالذات هو أن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تمكين أذرع الروبوت الناعمة الزائدة عن الحاجة من الوصول إلى قدرات خارج بيئة المختبر، مع إطار تحكم بسيط للغاية". "علاوة على ذلك، فإن وحدة التحكم قابلة للتطبيق على أي برنامجrobotقدم الذراع ترتيب تشغيل مماثل. وهذه خطوة نحو استخدام الاستشعار المضمن واستراتيجيات التحكم الموزعة في الروبوتات المتصلة واللينة."

حتى الآن، اختبر الباحثون وحدة التحكم الخاصة بهم في سلسلة من الاختبارات، باستخدام ذراع آلية خفيفة الوزن وناعمة تعمل بالكابل مع 9 درجات من الحرية (9-DoF). وكانت نتائجهم واعدة للغاية، حيث سمحت وحدة التحكم للذراع باستكشاف المناطق المحيطة بها والوصول إلى الموقع المستهدف بشكل أكثر فعالية من استراتيجيات التحكم الأخرى المقترحة في الماضي.

في المستقبل، يمكن تطبيق وحدة التحكم الجديدة على أذرع روبوتية ناعمة أخرى واختبارها في كل من المختبرات وفي إعدادات العالم الحقيقي، لمواصلة تقييم قدرتها على التعامل مع التغيرات البيئية الديناميكية. وفي الوقت نفسه، يخطط دوناتو وزملاؤه لتطوير استراتيجية التحكم الخاصة بهم بشكل أكبر، حتى تتمكن من إنتاج حركات وسلوكيات إضافية للأذرع الآلية.

وأضاف دوناتو: "نحن نتطلع حاليًا إلى تعزيز قدرات وحدة التحكم لتمكين سلوكيات أكثر تعقيدًا مثل تتبع الهدف، وتوأمة الذراع بالكامل، وما إلى ذلك، لتمكين هذه الأنظمة من العمل في البيئات الطبيعية لفترات طويلة من الزمن".