بناء الروبوتات المستوحاة من الطبيعة: محاكاة الطبيعة من أجل روبوتات متقدمة

على مر القرون، تطلع البشر إلى الطبيعة بحثًا عن الإلهام. من آلات ليوناردو دافنشي الطائرة المستندة إلى طيران الطيور إلى شريط الفيلكرو الحديث المستوحى من نتوءات النباتات، توفر الطبيعة ثروة من الحلول المبتكرة. يمتد هذا الإلهام إلى مجال الروبوتات، مما أدى إلى ظهور مجال الروبوتات المستوحاة من الطبيعة، والمعروف أيضًا بالمحاكاة الحيوية في الروبوتات. يهدف هذا المجال إلى تصميم وبناء روبوتات تحاكي حركة الكائنات الحية واستشعارها وسلوكها. يتيح هذا النهج للمهندسين إنشاء روبوتات قادرة على التنقل في البيئات المعقدة، وأداء مهام معقدة، والتفاعل مع العالم بطرق جديدة وفعالة.

ما هي الروبوتات المستوحاة من الطبيعة؟

الروبوتات المستوحاة من الطبيعة هي مجال متعدد التخصصات يجمع بين علم الأحياء والهندسة وعلوم الكمبيوتر. يتضمن دراسة بنية ووظيفة الأنظمة البيولوجية ثم استخدام هذه المعرفة لتصميم وبناء روبوتات يمكنها محاكاة هذه الأنظمة. المبدأ الأساسي هو استخلاص المبادئ الكامنة وراء الحلول الطبيعية وتطبيقها على تصميم الروبوتات.

على عكس الروبوتات التقليدية، التي تعتمد غالبًا على الهياكل الصلبة والحركات المبرمجة مسبقًا، تُصمم الروبوتات المستوحاة من الطبيعة عادةً لتكون مرنة وقابلة للتكيف وموفرة للطاقة. وغالبًا ما تشتمل على مواد متقدمة ومستشعرات ومشغلات لتكرار الحركات المعقدة والقدرات الحسية للكائنات الحية. وهذا مفيد بشكل خاص في المجالات التي تواجه فيها الروبوتات التقليدية صعوبة، مثل التنقل في التضاريس غير المستوية أو العمل في البيئات المزدحمة.

لماذا الإلهام من الطبيعة؟ المزايا والتطبيقات

تقدم الروبوتات المستوحاة من الطبيعة مزايا عديدة مقارنة بالروبوتات التقليدية، منها:

• القدرة على التكيف: الأنظمة البيولوجية قابلة للتكيف بشكل كبير مع البيئات المتغيرة. يمكن تصميم الروبوتات المستوحاة من الطبيعة لإظهار قدرة تكيف مماثلة، مما يسمح لها بالعمل بفعالية في مجموعة واسعة من الظروف.
• الكفاءة: لقد حسّن التطور الأنظمة البيولوجية لتحقيق كفاءة في استخدام الطاقة. يمكن تصميم الروبوتات المستوحاة من الطبيعة لتستهلك طاقة أقل من الروبوتات التقليدية، مما يجعلها مناسبة للمهام طويلة الأمد.
• القدرة على المناورة: تظهر العديد من الكائنات البيولوجية قدرة ملحوظة على المناورة، خاصة في البيئات الصعبة. يمكن تصميم الروبوتات المستوحاة من الطبيعة لتقليد هذه الحركات، مما يسمح لها بالتنقل في التضاريس والمساحات المعقدة.
• حلول مبتكرة: غالبًا ما توفر الطبيعة حلولاً للمشكلات الهندسية لم يتوصل إليها البشر بعد. يمكن أن تؤدي الروبوتات المستوحاة من الطبيعة إلى تطوير تصميمات وقدرات روبوتية جديدة تمامًا.

هذه المزايا تجعل الروبوتات المستوحاة من الطبيعة مناسبة تمامًا لمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك:

البحث والإنقاذ

تعتبر الروبوتات التي يمكنها التنقل في المباني المنهارة أو المناطق التي غمرتها الفيضانات حاسمة لعمليات البحث والإنقاذ. يمكن للروبوتات المستوحاة من الطبيعة، مثل الروبوتات الشبيهة بالثعابين أو الروبوتات الطائرة المستوحاة من الحشرات، الوصول إلى المناطق التي تكون خطيرة جدًا أو لا يمكن للبشر الوصول إليها.

مثال: يمكن للروبوت الثعباني الذي تم تطويره في جامعة كارنيجي ميلون التنقل عبر الأنقاض والحطام لتحديد مكان الناجين في مناطق الكوارث. تحاكي هذه الروبوتات الحركات المتموجة للثعابين، مما يسمح لها بالانضغاط عبر المساحات الضيقة وتسلق العقبات.

المراقبة البيئية

غالبًا ما تتطلب مراقبة الظروف البيئية، مثل جودة المياه أو تلوث الهواء، روبوتات يمكنها العمل في بيئات قاسية أو نائية. يمكن للروبوتات المائية المستوحاة من الطبيعة، مثل الروبوتات الشبيهة بالأسماك، أن تقوم بدوريات فعالة في المسطحات المائية الكبيرة، بينما يمكن للروبوتات الطائرة المستوحاة من الحشرات مراقبة جودة الهواء في المناطق الحضرية.

مثال: طور باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أسماكًا آلية يمكنها السباحة بشكل مستقل في المحيط، وجمع البيانات عن درجة حرارة المياه وملوحتها ومستويات التلوث. تم تصميم هذه الروبوتات لتكون موفرة للطاقة وغير مزعجة، مما يقلل من تأثيرها على البيئة البحرية.

الروبوتات الطبية

يمكن للروبوتات المستوحاة من الطبيعة إجراء عمليات جراحية طفيفة التوغل، وتوصيل الأدوية إلى مناطق مستهدفة من الجسم، والمساعدة في إعادة التأهيل. يمكن استخدام الروبوتات الدقيقة المستوحاة من الحشرات، على سبيل المثال، يومًا ما للتنقل عبر الأوعية الدموية لتوصيل الدواء مباشرة إلى الأورام.

مثال: يتم تطوير روبوتات لينة مستوحاة من مجسات الأخطبوط لإجراء عمليات جراحية طفيفة التوغل. يمكن لهذه الروبوتات أن تتوافق مع شكل الأعضاء الداخلية، مما يسمح للجراحين بالوصول إلى المناطق التي يصعب الوصول إليها بأقل قدر من تلف الأنسجة.

التصنيع والتفتيش

يمكن استخدام الروبوتات المستوحاة من حيوانات مثل النمل، والتي يمكنها التعاون بكفاءة، في عمليات خطوط التجميع المتقدمة. يمكن لروبوتات الأسراب، وهي مجموعة فرعية من الروبوتات المستوحاة من الطبيعة، تحسين حركة العناصر على خطوط التجميع، مما يقلل من الهدر ويحسن سير العمل بشكل عام.

مثال: تُستخدم أنظمة الروبوتات الموزعة في المستودعات بطريقة تشبه كيفية تنظيم النمل للمهام لتحقيق الكفاءة الجماعية. تتعاون الروبوتات الفردية لتلبية طلبات الشحن بسرعة ودقة أكبر من الاعتماد فقط على العمالة البشرية أو الأنظمة التي يتم التحكم فيها مركزيًا.

الزراعة

يمكن استخدام الروبوتات لمراقبة صحة المحاصيل وتحديد الأعشاب الضارة واستخدام الأسمدة بدقة. يمكن للروبوتات التي تشبه ديدان الأرض تهوية التربة وتحسين تصريفها وتعزيز كفاءة توصيل العناصر الغذائية، وبالتالي المساهمة في زيادة الغلة وتقليل الاعتماد على المواد الكيميائية.

مثال: تم تجهيز الروبوتات الزراعية بمستشعرات وتقنيات تصوير تتيح التقييم الفوري لظروف صحة المحاصيل. باستخدام هذه البيانات، يمكن للأنظمة الروبوتية تطبيق علاجات مستهدفة بشكل مستقل تقلل من التأثير البيئي.

المبادئ الرئيسية وأمثلة على التصاميم المستوحاة من الطبيعة

هناك العديد من المبادئ الرئيسية التي يتم استخدامها بشكل شائع في تصميم الروبوتات المستوحاة من الطبيعة:

الحركة

تعد محاكاة حركة الحيوانات موضوعًا مركزيًا في الروبوتات المستوحاة من الطبيعة. يدرس الباحثون مشية وحركات مختلف الحيوانات لتطوير روبوتات يمكنها المشي أو الجري أو السباحة أو الطيران بكفاءة أكبر.

• روبوتات المشي: مستوحاة من الكائنات رباعية الأرجل مثل الكلاب والخيول، تم تصميم روبوتات المشي للتنقل في التضاريس غير المستوية والحفاظ على الاستقرار. يعد روبوت "سبوت" من بوسطن ديناميكس مثالاً رئيسياً على روبوت رباعي الأرجل يمكنه المشي والجري وصعود السلالم.
• روبوتات السباحة: تم تصميم الروبوتات الشبيهة بالأسماك لتقليد الحركات المتموجة للأسماك، مما يسمح لها بالسباحة بكفاءة والمناورة في البيئات المعقدة تحت الماء. غالبًا ما تستخدم هذه الروبوتات زعانف مرنة أو أجسامًا متموجة لتوليد الدفع.
• الروبوتات الطائرة: تم تصميم الروبوتات الطائرة المستوحاة من الحشرات لتقليد الأجنحة الخافقة للحشرات، مما يسمح لها بالتحليق والمناورة في المساحات الضيقة وحمل حمولات صغيرة. غالبًا ما تستخدم هذه الروبوتات مواد خفيفة الوزن وخوارزميات تحكم متقدمة لتحقيق طيران مستقر.
• الروبوتات الثعبانية: تحاكي الروبوتات الثعبانية حركة الثعابين. يمكنها التنقل في المساحات الضيقة وتسلق العقبات وغالبًا ما تستخدم في البحث والإنقاذ والتفتيش الصناعي.

الاستشعار

تمتلك الكائنات البيولوجية مجموعة واسعة من القدرات الحسية، بما في ذلك الرؤية والسمع والشم واللمس. يمكن تجهيز الروبوتات المستوحاة من الطبيعة بمستشعرات تحاكي هذه القدرات، مما يسمح لها بإدراك البيئة والتفاعل معها بطرق أكثر دقة.

• الرؤية: يمكن لأنظمة الرؤية المستوحاة من الطبيعة محاكاة بنية ووظيفة العين البشرية، مما يسمح للروبوتات باكتشاف وتتبع الأشياء والتعرف على الوجوه والتنقل في البيئات المعقدة. تُستخدم كاميرات الأحداث، المستوحاة من طريقة معالجة العيون البيولوجية للمعلومات المرئية، في الروبوتات عالية السرعة.
• السمع: يمكن لأنظمة السمع المستوحاة من الطبيعة محاكاة بنية ووظيفة الأذن البشرية، مما يسمح للروبوتات بتحديد مصادر الصوت والتعرف على الكلام واكتشاف التغيرات الدقيقة في البيئة.
• الشم: يمكن لأنظمة الشم المستوحاة من الطبيعة محاكاة حاسة الشم، مما يسمح للروبوتات باكتشاف وتحديد المواد الكيميائية في الهواء أو الماء. يمكن استخدام هذه الأنظمة للمراقبة البيئية والأمن والتشخيص الطبي.
• اللمس: يمكن لأجهزة الاستشعار اللمسية المستوحاة من الطبيعة محاكاة حاسة اللمس، مما يسمح للروبوتات بالشعور بشكل وملمس ودرجة حرارة الأشياء. يمكن استخدام هذه المستشعرات للمناولة والتجميع والتفاعل بين الإنسان والروبوت.

التشغيل

المشغلات هي عضلات الروبوت، حيث توفر القوة والحركة اللازمة لأداء المهام. يمكن للمشغلات المستوحاة من الطبيعة محاكاة بنية ووظيفة العضلات البيولوجية، مما يسمح للروبوتات بالتحرك بسلاسة وكفاءة وقوة أكبر.

• المشغلات الهوائية: مستوحاة من طريقة انقباض العضلات وتوسعها، تستخدم المشغلات الهوائية الهواء المضغوط لتوليد القوة. هذه المشغلات خفيفة الوزن ومرنة ويمكنها توليد قوى عالية.
• المشغلات الهيدروليكية: على غرار المشغلات الهوائية، تستخدم المشغلات الهيدروليكية سائلًا مضغوطًا لتوليد القوة. هذه المشغلات أقوى من المشغلات الهوائية ويمكن استخدامها في التطبيقات الشاقة.
• البوليمرات الكهرو نشطة (EAPs): هي مواد يتغير شكلها أو حجمها عند تعرضها لمجال كهربائي. يمكن استخدام هذه المواد لإنشاء عضلات اصطناعية خفيفة الوزن ومرنة وموفرة للطاقة.
• سبائك ذاكرة الشكل (SMAs): هي مواد يمكنها العودة إلى شكل محدد مسبقًا عند تسخينها. يمكن استخدام هذه المواد لإنشاء مشغلات مدمجة وقوية وموثوقة.

مستقبل الروبوتات المستوحاة من الطبيعة

الروبوتات المستوحاة من الطبيعة هي مجال سريع التطور لديه القدرة على إحداث ثورة في العديد من جوانب حياتنا. مع استمرار نمو فهمنا للأنظمة البيولوجية، يمكننا أن نتوقع رؤية روبوتات مستوحاة من الطبيعة أكثر تطورًا وقدرة في المستقبل.

تشمل بعض الاتجاهات الرئيسية في الروبوتات المستوحاة من الطبيعة ما يلي:

المواد المتقدمة

إن تطوير مواد جديدة ذات خصائص معززة، مثل المركبات خفيفة الوزن والبوليمرات المرنة والمواد ذاتية الشفاء، يتيح إنشاء روبوتات مستوحاة من الطبيعة أكثر قوة وقابلية للتكيف.

الذكاء الاصطناعي (AI) وتعلم الآلة (ML)

يلعب الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة دورًا متزايد الأهمية في الروبوتات المستوحاة من الطبيعة، مما يمكّن الروبوتات من التعلم من التجربة والتكيف مع البيئات المتغيرة واتخاذ قرارات مستقلة. يمكن استخدام خوارزميات تعلم الآلة لتحسين التحكم في الروبوت، وتحسين أداء المستشعرات، وتطوير سلوكيات روبوتية جديدة.

روبوتات الأسراب

تتضمن روبوتات الأسراب تنسيق أعداد كبيرة من الروبوتات البسيطة لأداء مهام معقدة. مستوحاة من السلوك الجماعي للحشرات والحيوانات الاجتماعية الأخرى، تقدم روبوتات الأسراب نهجًا قابلاً للتطوير وقويًا لحل المشكلات الصعبة. يمكن أن تكون هذه الأنظمة مفيدة لرسم خرائط البيئات والبحث عن الموارد وأداء المهام الموزعة.

الروبوتات اللينة

تركز الروبوتات اللينة على تصميم وبناء الروبوتات باستخدام مواد مرنة وقابلة للتشوه. مستوحاة من الأجسام اللينة للحيوانات مثل الأخطبوط والديدان، يمكن للروبوتات اللينة أن تتوافق مع شكل بيئتها، وتتنقل في المساحات الضيقة، وتتفاعل بأمان مع البشر. هذه الروبوتات مناسبة بشكل خاص للتطبيقات الطبية والتصنيع والاستكشاف.

التحديات في مجال الروبوتات المستوحاة من الطبيعة

على الرغم من إمكاناتها الهائلة، تواجه الروبوتات المستوحاة من الطبيعة العديد من التحديات:

• التعقيد: الأنظمة البيولوجية معقدة بشكل لا يصدق، وتكرار بنيتها ووظيفتها في روبوت يمثل تحديًا هندسيًا كبيرًا.
• المواد: يعد تطوير مواد يمكنها محاكاة خصائص الأنسجة البيولوجية، مثل المرونة والقوة وقدرات الشفاء الذاتي، مجالًا رئيسيًا للبحث.
• التحكم: قد يكون التحكم في حركات وسلوكيات الروبوتات المستوحاة من الطبيعة أمرًا صعبًا، خاصة بالنسبة للروبوتات ذات درجات الحرية العديدة. هناك حاجة إلى خوارزميات تحكم متقدمة وتقنيات دمج المستشعرات لتحقيق حركات دقيقة ومنسقة.
• كفاءة الطاقة: يعد تصميم روبوتات مستوحاة من الطبيعة تتسم بالكفاءة في استخدام الطاقة أمرًا بالغ الأهمية للمهام طويلة الأمد. يعد تحسين تصميم المشغلات والمستشعرات وأنظمة التحكم أمرًا ضروريًا لتقليل استهلاك الطاقة.
• الاعتبارات الأخلاقية: مع ازدياد تطور الروبوتات المستوحاة من الطبيعة، من المهم مراعاة الآثار الأخلاقية لاستخدامها. يجب معالجة قضايا مثل الاستقلالية والسلامة والخصوصية بعناية.

أمثلة على الروبوتات المستوحاة من الطبيعة في جميع أنحاء العالم

يتم تطوير روبوتات مبتكرة مستوحاة من الطبيعة في جميع أنحاء العالم. وفيما يلي بعض الأمثلة:

• أوروبا: قام برنامج Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي بتمويل العديد من مشاريع الروبوتات المستوحاة من الطبيعة، بما في ذلك الأبحاث حول الروبوتات الطائرة المستوحاة من الحشرات والروبوتات اللينة للتطبيقات الطبية. يتم تطوير روبوت OctoArm، المستوحى من أذرع الأخطبوط، في إيطاليا، وهو مصمم للإمساك والتعامل في البيئات المعقدة.
• آسيا: في اليابان، يقوم الباحثون بتطوير روبوتات شبيهة بالثعابين لعمليات البحث والإنقاذ وروبوتات بشرية تحاكي حركات الإنسان لرعاية كبار السن والتقنيات المساعدة.
• أمريكا الشمالية: في الولايات المتحدة، يجري البحث على الروبوتات رباعية الأرجل للتطبيقات العسكرية والصناعية، بالإضافة إلى الروبوتات تحت الماء لاستكشاف المحيطات. يشتهر روبوت Cheetah من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بسرعة جريه وخفة حركته.
• أستراليا: يعمل الباحثون على روبوتات مصممة للمساعدة في إدارة التنوع البيولوجي مثل روبوت Starbug من جامعة جيمس كوك، والذي يستخدم لقتل نجم البحر ذي التاج الشوكي، وهو تهديد كبير للحاجز المرجاني العظيم.

الخاتمة

الروبوتات المستوحاة من الطبيعة هي مجال سريع النمو يحمل وعدًا هائلاً لحل بعض أكثر التحديات إلحاحًا في العالم. من خلال محاكاة الحلول المبتكرة الموجودة في الطبيعة، يقوم المهندسون بإنشاء روبوتات أكثر قدرة على التكيف والكفاءة والقدرة من أي وقت مضى. مع استمرار تقدم البحث والتطوير في هذا المجال، يمكننا أن نتوقع رؤية المزيد من الروبوتات المبتكرة والمؤثرة المستوحاة من الطبيعة في السنوات القادمة. مستقبل الروبوتات لا يمكن إنكاره مرتبط بالطبيعة، والإمكانيات لا حدود لها حقًا.

سواء كان الأمر يتعلق بالبحث والإنقاذ، أو المراقبة البيئية، أو الإجراءات الطبية، أو عمليات التصنيع، فإن مبادئ المحاكاة الحيوية مهيأة لإعادة تحديد حدود ما يمكن أن تحققه الروبوتات. يضمن تبني هذا النهج أن تكون التصميمات ليست مبتكرة فحسب، بل متناغمة أيضًا مع العالم الطبيعي، مما يوفر حلولًا مستدامة وفعالة.