الروبوت ذو العشرين ساقًا متعدد الاتجاهات بلا مقدمة ولا مؤخرة
كيف يتحرك روبوت متعدد الاتجاهات بعشرين ساقًا تلسكوبية وعشرين كاميرا عمق بالتساوي في كل اتجاه دون الحاجة لمواجهة جهة معينة؟
مصدر الصورة:
argus-robot
القصة
وراء Argus
لعقود،
بنى مهندسو الروبوتات آلاتهم بنسخ أشكال موجودة في الطبيعة. الروبوتات البشرية
تمشي على ساقين. رباعيات الأرجل تتحرك على أربع. التصاميم المستوحاة من الحشرات
تستخدم ستة. يرث كل من هذه المناهج قيدًا أساسيًا من مخطط الجسم الذي يقلده: يجب
أن يواجه الروبوت الاتجاه الذي يريد التحرك نحوه. الالتفاف وإعادة التوجه والتعافي
من السقوط كلها تكلف وقتًا وطاقة. تحدى باحثون في مختبر الروبوتات العامة بجامعة Duke، بقيادة بويوان تشن، هذا الافتراض بالكامل.
بدلاً من السؤال عن الشكل الذي يجب أن يكون عليه الروبوت، طرحوا سؤالاً مختلفًا:
ما مدى تساوي قدرة الروبوت على التسارع في كل اتجاه في آن واحد؟
قاد
هذا السؤال إلى مبدأ تصميم جديد أسموه التناظر الديناميكي. بدلاً من قياس مدى
تناظر شكل جسم الروبوت، يقيس التناظر الديناميكي مدى تساوي قدرة الروبوت على تحريك
مركز كتلته في أي اتجاه. صاغ الفريق هذا المفهوم من خلال مقياس يُسمى التساوي
الديناميكي، يُسجَّل من 0 إلى 1. معظم الروبوتات المستخدمة اليوم، بما في ذلك
رباعيات الأرجل المتقدمة والروبوتات البشرية والطائرات بدون طيار التقليدية، تسجل
أقل من 0.6. ثم قام الفريق بمحاكاة أكثر من 1,500 تكوين روبوتي لإيجاد تصميم يقترب
من الحد الأقصى النظري. النتيجة هي Argus،
المسمى على اسم العملاق متعدد العيون من الأساطير اليونانية، روبوت متعدد
الاتجاهات يسجل 0.91.
كيف بُني هذا الروبوت متعدد الاتجاهات
ليس لـ
Argus مقدمة ولا مؤخرة ولا أعلى ولا أسفل. يتكون
من 20 ساقًا تلسكوبية معيارية تتشعع للخارج من نواة مركزية. كل ساق هي محرك خطي
بدرجة حرية واحدة مثبت عند أحد رؤوس شكل اثني عشري الأوجه المنتظم، وهو شكل ثلاثي
الأبعاد ذو 12 وجهًا خماسيًا. ينتج هذا الترتيب الهندسي توزيعًا شبه مثالي لقدرة
التسارع اللحظي في كل اتجاه.
كل ساق
مزودة بكاميرا استشعار عمق، مما يمنح الروبوت 20 عينًا توفر مجال رؤية كروي شبه
كامل. يبقى هذا الإدراك متعدد الاتجاهات فعالًا حتى أثناء المناورات العنيفة مثل
التدحرج والتقلب وإعادة التوجه السريع. مزيج قدرة الحركة المتساوية والاستشعار
الشامل يعني أن Argus يستطيع التحرك والإدراك والتفاعل مع بيئته
في آن واحد دون الحاجة للتوقف وإعادة توجيه نفسه. التصميم المعياري يعني أيضًا أنه
يمكن استبدال الأرجل الفردية بشكل مستقل دون تفكيك الروبوت بالكامل.
ما الذي يستطيع Argus فعله فعليًا
في
الاختبارات الفعلية، أظهر Argus قدرات عبر عدة فئات تتعامل معها تصاميم
الروبوتات التقليدية بشكل منفصل. يعبر العشب والرمل والأرض الرطبة وفوضى الغابات
الكثيفة دون الحاجة لتعديل اتجاهه بالنسبة للتضاريس. يستقر ذاتيًا بسرعة بعد الدفع
أو الإسقاط أو القلب، مستعيدًا توازنه دون وضع منتصب محدد لأن كل اتجاه فعال
بالتساوي.
يستمر
الروبوت متعدد الاتجاهات في العمل حتى عند تعطل ما يصل إلى ثلاثة من أرجله
العشرين. بدلاً من الفشل أو العرج، تعيد الأرجل المتبقية توزيع عبء العمل، وتتراجع
جودة حركة الروبوت تدريجيًا بدلاً من الانهيار كليًا. في المحاكاة، وجد الفريق أن
هذه المرونة تتناسب طرديًا مع التناظر الديناميكي: كلما اقترب تصميم من تسجيل 1.0،
تعامل مع الأضرار بسلاسة أكبر. بعيدًا عن الحركة، يستطيع Argus
تسلق الجدران وحمل الأحمال وأداء مهام معالجة بكامل الجسم حيث يستخدم أرجله ليس
فقط للتنقل ولكن أيضًا للتفاعل مع الأشياء في بيئته.
لماذا يغيّر التناظر الديناميكي تصميم الروبوتات
تكمن
الأهمية الأوسع لـ Argus ليس في الروبوت نفسه بل في مبدأ التصميم
الذي يُثبته. يوفر التناظر الديناميكي إطارًا رياضيًا عامًا لتسجيل ومقارنة وتصميم
أي نظام روبوتي بناءً على تساوي الحركة بدلاً من التشابه البصري مع الكائنات
البيولوجية. مسح المحاكاة الذي أجراه الفريق لأكثر من 1,500 شكل متاح للعامة، مما
يتيح لمجموعات بحثية أخرى استكشاف مساحة التصميم بشكل أعمق.
عبر
تلك المحاكاة، وجد الفريق أنه كلما زاد التناظر الديناميكي نحو حده النظري، تحسن
الأداء باستمرار عبر خمسة مقاييس منفصلة: دقة تتبع المسار ومعدل نجاح المهام
والمتانة ضد الاضطرابات الخارجية والمرونة ضد أعطال المحركات وكفاءة الطاقة. لم
تكن هذه التحسينات تدريجية. بل أصبحت أكثر وضوحًا مع اقتراب التساوي الديناميكي من
حده الأقصى، مما يشير إلى أن العلاقة بين التناظر والأداء غير خطية. استكشف الفريق
أيضًا تصاميم بما يصل إلى 40 ساقًا سجلت أعلى في التساوي الديناميكي، لكنها كانت
أقل عملية لنموذج أولي مادي بسبب التعقيد الميكانيكي الإضافي.
أين تقع الروبوتات متعددة الاتجاهات في هذا المجال
معظم
الروبوتات التجارية والبحثية مصممة حول مهام محددة: المشي على أرض مستوية أو
الطيران في الهواء الطلق أو معالجة أشياء على طاولة. يمثل Argus
نهجًا مختلفًا، نهجًا يحسّن التنوع عبر المهام بدلاً من الأداء في أي مهمة
بمفردها. القدرة على التحرك والاستشعار والاستقرار والتسلق والحمل والمعالجة دون
إعادة توجيه تجعله ذا صلة بالتطبيقات التي تكون فيها البيئة غير متوقعة، مثل
الاستجابة للكوارث واستكشاف الكواكب أو تفتيش الأماكن المحصورة والمزدحمة.
نُشر
البحث في Science Robotics، وقدمت جامعة Duke
طلب حقوق براءة اختراع للتقنية. كود المحاكاة متاح على GitHub بموجب رخصة Creative Commons. وصف بويوان تشن، الذي يدير مختبر الروبوتات
العامة في Duke، روبوت Argus
بأنه عرض مبكر لفئة أوسع من الروبوتات المبنية ليس حول التقليد البيولوجي بل حول
مبدأ أساسي للأداء المتوازن والمستقل عن الاتجاه. ما إذا كان التناظر الديناميكي
سيصبح إطار تصميم معتمدًا في الروبوتات سيعتمد على كيفية تبني مجموعات بحثية أخرى
للمبدأ وتوسيعه عبر مقاييس وتطبيقات مختلفة.
لقد تجاوزت حدودك المجانية لمشاهدة المحتوى المميز لدينا
يرجى الاشتراك للحصول على وصول غير محدود إلى ابتكاراتنا.
Get The Latest In Innovation
Join Our Newsletter
Where bold ideas find bold readers.
