قامت الحشرات الآلية الطائرة بأول رحلة يتم التحكم فيها

طور باحثون في جامعة هارفارد روبوتات طائرة بحجم حشرة تحاكي الطبيعة، وفي هذه العملية، قاموا بتوسيع حدود العلم في إنتاج المواد النانوية وأجهزة الكمبيوتر الصغيرة، وإن كانت لا تزال أكثر ذكاءً من دماغ الحشرة المتوسطة.

في الساعات الأولى من صباح أحد أيام الصيف الماضي في مختبر الروبوتات بجامعة هارفارد، بدأت حشرة آلية في الطيران. ويبلغ حجمه نصف حجم مشبك الورق، ويزن أقل من عُشر الجرام. قفز بضع بوصات، وحلق للحظة على أجنحته الهشة المرفرفة، ثم انطلق مسرعًا في الهواء في طريق محدد مسبقًا.

مثل أب فخور يراقب الخطوات الأولى لطفله، قام باكبونج تشيراراتانانون على الفور بالتقاط مقطع فيديو للفرخ وهو ينطلق وأرسله إلى مشرف الدكتوراه وزملائه في الساعة الثالثة صباحًا. كتب في سطر الموضوع: "رحلة RoboBee".

يتذكر شيراتانانون، المؤلف الرئيسي المشارك للمقال الذي نشر هذا الأسبوع في مجلة ساينس: "كنت متحمسا للغاية، ولم أستطع النوم".

إن نجاح أول رحلة طيران يتم التحكم فيها لروبوت بحجم حشرة هو تتويج لأكثر من عقد من العمل بقيادة باحثين في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد ومعهد ويس للهندسة المستوحاة من الحياة بجامعة هارفارد.

يقول روبرت وود، أستاذ الهندسة والعلوم التطبيقية، وعضو هيئة التدريس في Wyss، والباحث الرئيسي في مؤسسة العلوم الوطنية، التي تدعم مشروع RoboBee: "هذا ما كنت أحاول القيام به حرفيًا طوال الـ 12 عامًا الماضية". "إنه في الواقع بفضل الإنجازات الأخيرة التي حققها هذا المختبر في الإنتاج والمواد والتصميم التي سمحت لنا بتجربة ذلك. وقد نجح الأمر بشكل مذهل. "

مستوحى من بيولوجيا الذبابة، مع تشريح على مقياس أقل من المليمتر، يرفرف الروبوت بجناحين رفيعين وغير مرئيين تقريبًا بمعدل 120 مرة في الثانية. "يمثل الجهاز الصغير أحدث التقنيات المطلقة لأنظمة التصنيع والتحكم الدقيقة، وقد ساعد في دفع الابتكار في هذه المجالات من قبل عشرات الباحثين عبر جامعة هارفارد لسنوات."

يوضح وود: "لقد طُلب منا تطوير حلول منذ البداية لكل شيء". "في كل مرة قمنا بحل مشكلة واحدة، ظهرت خمس مشاكل جديدة. لقد كان هدفا متحركا".

فعضلات الطيران، على سبيل المثال، لا تأتي جاهزة للروبوتات بحجم الإصبع. "يمكن للروبوتات الكبيرة أن تعمل بمحركات كهرومغناطيسية، ولكن على هذا النطاق الصغير، هناك حاجة إلى حلول بديلة، ولم يكن هناك أي حلول بديلة"، كما يقول أحد المؤلفين كيفن ما، وهو طالب دراسات عليا.

يرفرف الروبوت الصغير بجناحيه عن طريق تنشيط شرائح من السيراميك تتوسع وتنكمش عند تطبيق مجال كهربائي. تم إدخال مفصلات بلاستيكية رفيعة في إطار جسم من ألياف الكربون وكانت بمثابة مفاصل، كما كان هناك نظام تحكم متوازن بدقة يتحكم في دوران حركات الروبوت التي يتم التعبير عنها في رفرفة الجناح. تم التحكم في كل جناح بشكل مستقل في الوقت الحقيقي.
على نطاق صغير، يمكن أن يكون للتغيرات الصغيرة في تدفق الهواء تأثير أكبر من المعتاد على ديناميكيات الطيران، ويجب أن يتفاعل نظام التحكم بشكل أسرع بكثير للحفاظ على استقرار الروبوت (النظام)).

لإنتاج الحشرات الآلية، يستخدم المطورون تقنية الإنتاج البارعة التي طورها فريق وود في عام 2011. يتم قطع أوراق من مواد مختلفة بالليزر طبقة بعد طبقة ويتم دفعها معًا في سطح رقيق يمكن طيه مثل كتاب للأطفال تقفز منه أشكال من الورق المقوى. باستثناء أنه بدلاً من الأشكال الكرتونية، فهي عبارة عن دائرة إلكترونية كاملة.

تحل العملية السريعة خطوة بخطوة محل ما كان من المفترض أن يكون دليلاً للفن الدقيق وتسمح لفريق وود باستخدام مواد أقوى ومجموعات جديدة، مما يحسن الدقة الإجمالية لكل جهاز.

يقول ما: "يمكننا الآن بناء نموذج أولي موثوق بسرعة، مما يتيح لنا أن نكون أكثر جرأة في طريقة اختبارنا لهم"، مضيفًا أن الفريق اختبر 20 نموذجًا أوليًا في الأشهر الستة الماضية.

يمكن أن تشمل تطبيقات مشروع RoboBee المراقبة البيئية وعمليات البحث والإنقاذ والتطبيقات العسكرية والاستخباراتية أو المساعدة في تلقيح المحاصيل. ومع ذلك، فمن الممكن أن تكون المواد وتقنيات الإنتاج والمكونات التي تم تطويرها داخلها على مر السنين أكثر أهمية. على سبيل المثال، في عملية إنتاج "الكتاب المنبثق"، من الممكن إنتاج نوع جديد من الأجهزة الطبية المعقدة.

ويعمل مكتب تطوير التكنولوجيا في جامعة هارفارد ومعهد ويس بالفعل على تسويق بعض هذه التكنولوجيات تجاريا.

يقول مؤسس المعهد ومديره، دون إنجيبر: "إن علم الأحياء الذي يتم تسخيره لحل مشاكل العالم الحقيقي هو ما يدور حوله معهد ويس". "هذا العمل هو مثال جميل لكيفية جمع العلماء والمهندسين من العديد من المجالات لإجراء أبحاث مستوحاة من الطبيعة - يمكن أن يؤدي إلى اختراقات تقنية مهمة."

والمشروع مستمر. يقول وود: "الآن بعد أن أصبح لدينا هذه المنصة الفريدة، هناك العشرات من الاختبارات التي بدأنا في إجرائها، بما في ذلك التحكم في المناورات الأكثر عدوانية وهبوط الحشرة".

ستتضمن الخطوات التالية الجمع بين العمل المتوازي للعديد من فرق البحث المختلفة التي تعمل على الدماغ، وسلوك التنسيق في المستعمرة، ومصدر الطاقة، وما إلى ذلك، حتى تصبح الحشرات الآلية مستقلة تمامًا ولاسلكية.

لا تزال النماذج الأولية مقيدة بكابل كهربائي رفيع للغاية، لأنه لا توجد حلول جاهزة لتخزين الطاقة يمكن أن تكون صغيرة بما يكفي لتركيبها على جسم الروبوت. قبل أن يتمكن النحل الآلي من الطيران بشكل مستقل، يجب تطوير خلايا الوقود لتخزين الطاقة عالية الكثافة.

يتم التحكم أيضًا من خلال جهاز كمبيوتر منفصل وليس من "عقل" الروبوت. هذا على الرغم من أن فريقًا منفصلاً يعمل على تطوير دماغ فعال يمكنه التعامل مع القوة الحاسوبية المطلوبة للروبوت.

يقول المؤلف المشارك سوير فولر، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في فريق وود الذي درس كيفية تعامل ذباب الفاكهة مع الأيام العاصفة: "إن الأداء البهلواني للذباب هو الأكثر روعة في الطبيعة، ويتم ذلك بمساعدة دماغ صغير". "إن قدراتهم تتجاوز ما يمكننا القيام به باستخدام الروبوت الخاص بنا، لذلك نريد أن نفهم بيولوجيتهم بشكل أفضل ونطبقها على عملنا."

يقول وود: "يوفر هذا المشروع حافزًا مشتركًا للعلماء والمهندسين في جميع أنحاء الجامعة لبناء بطاريات أصغر، وتصميم أنظمة تحكم أكثر كفاءة، وإنشاء مواد أقوى وأخف وزنًا". "قد لا تتوقع أن يعمل كل هؤلاء الأشخاص مع متخصصين في الرؤية وعلماء الأحياء وعلماء المواد ومهندسي الكهرباء وغيرهم. ما لديهم من القواسم المشتركة؟ حسنًا، الجميع يستمتع بحل المشكلات الصعبة حقًا."

ويضيف ما: "أريد أن أصنع شيئًا لم يشهده العالم من قبل". "من المثير أن نوسع حدود ما نعتقد أننا نستطيع القيام به، وحدود الإبداع البشري."

تم دعم هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم ومعهد ويس للهندسة المستوحاة بيولوجيًا بجامعة هارفارد.