العضلاتُ الاصطناعيّةُ مفتاحُ قوّةِ روبوتاتِ المستقبل

يزدادُ ذكاءُ تفكيرِ الروبوتات يوماً بعد يوم، لكنّ أجسادهم في الغالب تبقى ثقيلةً وغير عمليّة.
بإلهامٍ من تحفةِ التطوّر، وهي العضلاتُ البيولوجيّة، يصمّمُ المهندس الميكانيكي (كريستوف كيبلينغر) جيلاً جديداً من الروبوتات الرشيقة واللينة. شاهدوا كيف تتقلّص وتتمدّدُ هذه العضلاتُ "الاصطناعيّة" مثل العضلاتِ الحقيقيّة، وكيف يمكنها أن تصلَ إلى سرعاتٍ تفوق سرعة عضلاتِ البشر، وتعرّفوا كيف بإمكانِ هذه العضلات أن تقوّيَ الأطراف الاصطناعية والتي هي أكثرُ كفاءةً وقوّة من أطرافِ الإنسان.

في عام 2015، تنافس 25 فريقًا حول العالم

لإنشاءِ روبوتاتٍ تستجيبُ للكوارث

يمكنها أن تؤدّيَ عدداً من المهام،

مثلَ استخدامِ أداةٍ كهربائيّة

والعملَ فوقَ أرضيّةٍ غيِرِ مستوية

وقيادةَ سيّارة.

كلّ هذا يبدو مثيراً للإعجاب،
وهوَ بالفعلِ كذلك.

لكن، ألقوا نظرةً إلى هيكلِ الروبوت
(هيوبو) الفائز.

يحاولُ هنا (هيوبو) الخروجَ من السيّارة،

وخذوا بعينِ الاعتبار

أنّه تمّ تسريعُ الفيديو ثلاثَ مرّات.

(ضحك)

(هيوبو) الذي صنعه فريق (كايست) في كوريا
هو روبوتٌ متقدّم المستوى

بقدراتٍ مثيرةٍ للإعجاب،

لكنّ هيكلهُ لا يختلفُ كثيرًا

عن ذلك الخاصّ بالروبوتات الأقدمِ منذ عقود.

بالنظرِ إلى الروبوتات الأخرى في المنافسة،

يبدو أنّ تحركاتهم أيضاً
ما تزالُ آليةً جدًا.

إنّ أجسادهم هي هياكل آليّة معقّدة

تعتمد على موادٍ صلبة،

مثلَ المعدن والمحرّكاتِ
الكهربائيّة التقليديّة.

لكن بالطّبع، لم تُصمّم هذه الروبوتات

لتكون منخفضةَ التكلفة،
ويكونَ وجودها إلى جانب البشر آمناً

أو أن تتأقلمَ مع العقباتِ المفاجئة.

لقد أحدثنا تقدّما بارزاً بطريقةِ
تفكيرِ الروبوتات

لكنّ أجسادهم لا تزالُ بدائيّة.

هذه ابنتي (ناديا)

هي في الخامسةِ من عمرها،

ويمكنها أن تخرجَ من السّيارةِ
أسرع بكثيرٍ من (هيوبو)

(ضحك)

يمكنها التأرجح على قضبانِ
الحديقةِ بسهولة أيضاً،

وأفضلَ بكثيرٍ مما يمكن أن يقومَ به
أي روبوتٍ شبيه بالبشر.

بخلافِ الروبوت (هيوبو)،

يستفيد الجسمُ البشريُّ استفادةً شاملةً
من الموادّ اللينة والقابلة لتغيير شكلها

مثلَ العضلاتِ والجلد.

نحتاجُ إلى جيلٍ جديدٍ من أجساد الروبوتات

مستوحىً من الأناقة والكفاءة والمواد اللينة

للتصميماتِ الموجودةِ في الطّبيعة.

وبالطّبع، أصبحت هذه الفكرةَ الرّئيسيّة
لميدانِ بحثٍ جديد

يهتمّ بالروبوتاتِ اللينة.

بالتعاونِ مع ناسٍ من أنحاء العالم،

يستخدمُ فريقُ بحثي مكوناتٍ ليّنة
مستوحاةً من العضلاتِ والبشرة

لإنشاء روبوتاتٍ تتمتع بالرشاقةِ والبراعة

والتي تصبح أقرب كثيرًا

للقدراتِ المذهلةِ للكائنات الحيّة
الموجودةِ في الطبيعة.

لطالما كانت عضلاثُ الجسم مصدرَ إلهامٍ لي.

حسناً، هذا ليس مفاجئًا.

أنا أيضًا نمساوي، وأعلم أن صوتي
يشبه قليلاً صوت (آرني) من فلم (Terminator)

(ضحك)

العضلةُ البيولوجيّة هي تحفةٌ حقيقية
من تحفِ التطوّر.

يمكنها أن تتعافى بعد التّلف،

ويتكاملُ عملها بإحكامٍ مع العصبونات الحسية

للإحساسِ بالحركةِ والبيئةِ المحيطة.

يمكنها أن تنقبض بسرعةٍ تكفي
لتقوية الأجنحة ذات السرعة العالية

لطائر الطّنان،

يمكنها أن تصبح قويةً بما يكفي لتحريك فيل،

ويمكنُ أن تتكيّف لتقوم بوظائف
أذرعِ الأخطبوط متعددة القدرات

وهو حيوانٌ يمكنه أن يحشرَ جسدهُ بالكامل
في فتحاتٍ صغيرة جدًا.

المشغّلاتُ الميكانيكيّة للروبوتات
هي بمثابة العضلاتِ في الحيوانات:

أيّ، مكوناتٌ أساسيّة للجسد،

والتي بدورها تسمح بالحركةِ
والتفاعلِ مع العالم.

لذا إن استطعنا أن ننشئَ مشغّلاتٍ لينة،

أو عضلاتٍ اصطناعيّة

لها القدرة على التكيف مع المهام المتعددة

بحيث يكون أداؤها مشابهاً
لأداء العضلات الحقيقية،

سنستطيعُ إنشاءَ أي نوعٍ من الروبوتات

لمعظمِ أنواع الاستعمالات.

ليسَ بالأمرِ المفاجئِ
أنّ الناس قد حاولوا لعقودٍ طويلة

استنساخَ قدراتِ العضلاتِ المذهلة،

لكنَّ الأمرَ كان صعبًا جدًا.

منذ حوالي عشرِ سنوات،

حين حصلتُ على الدكتوراه في النّمسا،

قُمنا أنا وزملائي بإعادة اكتشاف

أحدَ أوّل الأعمالِ المنشورة على الأرجح
فيما يخصّ العضلاتِ الاصطناعيّة،

والتي نُشرت عام 1880

بعنوان (دورُ الكهرباءِ في تغيير
حجم وشكل الأجسام العازلة.)

قام بنشرِ هذا البحث عالمُ الفيزياء
الألمانيّ (ويلهم رونتكين)

معظكم يعرفهُ كونه
مكتشفَ الأشعّة السينيّة (X).

استخدمنا زوجاً من الإبر تبعاً لإرشاداته،

ووصلناه بتيّارٍ عالي التوتّر

ووضعناه قرب قطعةٍ شفّافةٍ من المطّاط

بعد تمديده على إطارٍ من البلاستيك.

عندما وصلنا التوتّر،

تقلّصت قطعةُ المطّاط

وكما تقوم عضلاتنا بطويِ ذراعنا،

قامت قطعةُ المطّاطِ بطويِ الإطار.

يبدو الأمرُ كالسحر،

فالإبرُ حتى لا تلامسُ المطّاط.

استخدامُ إبرتين كهاتين ليس طريقةً عمليّة

لمحاكاةِ العضلات الاصطناعيّة،

لكنّ هذه التجربةَ المذهلة جذبت
كل انتباهي لهذا الموضوع.

أردت ابتكارَ طرائقَ جديدة لصنع
عضلاتٍ اصطناعيّة

تعملُ بشكلٍ متقنٍ في تطبيقات
الحياة العمليّة.

خلال السنواتِ التالية، عملتُ
على تقنيّاتٍ عديدةٍ مختلفة

وكان هناكَ أملٌ بنجاحها،

على الرّغمِ من التّحديات الصعبةِ
التي تعترضُ طريقَ تنفيذها.

في عام 2015،

عندما أنشأتُ مختبري في جامعة (كولورادو)

أردتُ أن أجرّب فكرةً جديدة كليّاً.

أردتُ دمج الكفاءةِ والسّرعة العالية

الخاصّة بالمحركات الكهربائيّة

مع القدرات المتعدّدة للمحرّكات اللينة.

فلذلك قلت لنفسي:

"ربما يمكنني استخدامُ العلمِ القديم،
ولكن بطرائق جديدة."

يبيّن الرسم الموضّح أعلاه تأثيراً
يدعى (ضغط ماكسويل).

بأخذِ صفيحتين من معدن،

ووضعهما في إناءٍ يحوي زيت،

ووصلهما بتوتّرٍ كهربائيّ،

يجبر (ضغط ماكسويل) الزّيت
على المرورِ بين الصفيحتين،

مثلما هو موضّح.

فالفكرة الأساسية كانت:

"هل يمكننا توظيفُ هذا التأثير لتحريك الزيت

الذي تحتويه بنياتٌ مرنة قابلة للتمدد؟"

وبالفعل، نجحت هذه الطريقةُ بشكلٍ مبهر،

وأفضلَ بكثيرٍ مما توقعته، في الحقيقة.

بالتعاونِ مع فريقي المذهل من الطّلاب،

استخدمنا هذهِ الفكرةَ كنقطةِ انطلاق

لتطوير تقنيّةٍ جديدةٍ من العضلات
الاصطناعيّة والتي تدعى (هيزل).

تستطيع عضلات (هيزل) أن تلتقط
حبّة توتٍ بعناية

بدونِ أن تسبب ضرراً لها.

تستطيع هذه العضلاتُ أن تتمدد وتتقلّص،
كما في العضلاتِ الحقيقة.

كما أنّها تعملُ بشكلٍ أسرعَ
من العضلات الحقيقية.

يمكنُ أيضاً زيادة سعتها لكي تستطيع
أن تعمل بقوّاتٍ كبيرة.

هنا يمكنكم رأيتها
وهي ترفع جالوناً من الماء.

يمكنُ استعمالها لتحريكِ ذراع الروبوت،

وبمقدورها أن تتحسّس موقعها أيضاً.

يمكنُ استخدام عضلات (هيزل)
للحركات التي تتطلّب الدقّة،

وحركتها سلسةٌ ومرنة، مثل العضلات الحقيقة،

وتتمتع بالقوة الكافيةِ لقذفِ كرةٍ
في الهواء.

عندما تُغمرُ هذه العضلاتُ بالزيت،

تستطيع أن تتوارى عن الأنظار وتختفي.

فكيفَ تعملُ هذه العضلات؟

قد يفاجئكم الأمر،

ولكنّها تعتمد على موادٍ غير مكلفة
ومتوافرة بشكلٍ دائم.

وأنصحُ بتجربة المبدأ الأساسي
لعضلات (هيزل) في المنزل.

يمكنكم البدءُ بملءِ أكياسٍ من البلاستيك
بزيت الزيتون،

وحاولوا إخراج فقاعات الهواء منها
بقدر الاستطاعة

والآن أحضروا صحناً من الزجاج
ثمّ ضعوه على جانب كيس البلاستيك.

بالضغطِ على الكيس، يمكنُكم رؤية انضغاطه.

إنّ التحكّم بسعةِ التقلّص أمرٌ سهل:

عندما تضعُ وزناً خفيفاً،
يكون التقلّص قليلاً؛

عندما تضعُ وزناً متوسّطاً،
يكون التقلّصُ متوسّطاً؛

وعندما تضعُ وزناً ثقيلاً،
يكونُ التقلّص كبيراً.

الأمرُ في عضلات (هيزل)
يختلف من حيثُ مصدر القوّة،

فبدلاً من ضغطِ يدك أو الأوزان،
يتمّ استخدامُ قوّةٍ كهربائية.

ترمز كلمة (هيزل) إلى:
المحرّكات الكهروستاتية ذاتيّة الإصلاح،

والمقوّاة هيدروليكيّاً.

هنا ترونَ رسماً يمثّل محرّكات (بيانو هيزل)

وهو واحدٌ من التصاميم الممكنة.

ببساطة، خذ بوليميراً مرناً،
ككيس البلاستيكِ في تجربتنا،

واملأهُ بسائلٍ عازلٍ كزيتِ الزّيتون،

ولكن بدلاً من الضغطِ بصحنِ الزجاج،

ضع مادّةً ناقلة للكهرباء على جانب الكيس.

لإنشاءِ نموذجٍ يشبهُ النّسيجَ العضليّ،

يمكنك وصلُ عدّة أكياسٍ مع بعض

مع تعليقِ وزنٍ على نهايةِ أحدها.

والآن نطبّق توتراً كهربائياً.

يؤثّر الحقلُ الكهربائيّ المولد
على السائل في الكيس،

فيُزيح السائل،
مما يجبرُ نموذجَ العضلة على التقلّص.

يمكنكم هنا أن تروا تجربةَ عضلات
(بيانو هيزل) المكتملة

وكيف تتقلّصُ وتتمدّدُ العضلات
عند تطبيق التوتر الكهربائي.

بالنظرِ من الجهة الجانبية،

يمكنُ ملاحظةُ الأشكالِ الأسطوانية للأكياس

كما شاهدناه في تجربتنا قبل.

يمكننا أيضاً محاذاةُ عدّة أليافٍ عضليّة،

لصنعِ عضلةٍ أشبه بتلك الحقيقية

بحيثُ تتقلص وتتمدّدُ من أيّ منظور.

عضلاتُ (هيزل) ترفعُ أجساماً
أثقل من وزنها بمئتي مرّة.

تشاهدون هنا أحد أحدثِ تصاميمنا والذي يدعى
أنبوبة حلقية رُبعية من عضلات (هيزل)

وكيف تتمدّدُ وتتقلص.

يمكنها أن تعملَ بسرعاتٍ تفوق
سرعة العضلات البشريّة.

كما أنّها قويّةٌ بما يكفي لتقفز على الأرض.

(ضحك)

بالمجمل، ستكون عضلاتُ (هيزل)
الواعدة أوّل تكنولوجيا

تطابق أداءَ العضلاتِ البيولوجيّة...
أو حتى تكون أفضل منها...

وتتماشى مع التّصنيع على النطاقِ الأوسع.

ما زالت هذه التكنولوجيا في مرحلةِ التطوير،
فقد بدأنا للتوّ،

وببالنا أفكارٌ كثيرة لتحسين أداءها جذريّاً

باستعمال موادٍ وتصاميم جديدة
للوصول إلى كفاءةٍ في الأداء

تتجاوز كفاءة العضلات البيولوجية
وأيضاً المحرّكات الكهربائيّة التقليدية.

بالانتقال إلى التصاميم الأكثر تعقيداً
لعضلات (هيزل) في الروبوتات الحيوية،

هنا يمكنكم مشاهدة عقربٍ اصطناعي

يستطيعُ استعمال ذيله لصيد الفريسة...

وهي بالونٌ هنا.

(ضحك)

بالعودة إلى إلهامنا الأوّلي،

أذرع الأخطبوط المتكيّفة لمختلف المهام
وأيضاً خراطيم الفيلة،

استطعنا بناءَ محرّكاتٍ مرنة
تتميّز بأداءٍ سلس،

وهي تقترب بقدراتها من تلك خاصّة
العضلات الحقيقية.

أنا متحمّسٌ جدّاً للتطبيقات العمليّة

لعضلات (هيزل) الاصطناعيّة.

إنّها بدايةٌ لإنشاء أجهزةٍ روبوتّية ليّنة

تستطيعُ تحسينَ مستوى المعيشة.

هذه الأجهزة ستقوّي جيلاً جديداً
من الأطراف الصناعيّة والشبيهة بالحقيقية

للناس الذين فقدوا أطرافاً من جسمهم.

هنا ترون عضلاتِ (هيزل) في مختبري

في التجارب الأوليّة لتحريك إصبعٍ اصطناعي.

ربما سنتمكن يوماً ما من دمجِ
الأطرافِ الروبوتيّة مع أطراف أجسادنا.

أعلمُ أنّ هذا يبدو مخيفاً للوهلة الأولى

لكنني عندما أفكّر بجدّي وجدتي،

وكيف يصبحان أكثرَ اعتماداً على الآخرين

للقيام بالمهام البسيطةِ خلال يومنا،
كاستعمال المرحاض بأنفسهما،

فهما يشعران في الغالب
بأنّهما ثقلٌ على الآخرين.

من خلال أجهزةِ الروبوت اللينة،
سنستطيع تقوية واسترجاع

الرّشاقة والمهارة

وبالتالي مساعدة الناس المسنّين
على القيام بأعمالهم بنفسهم

لفتراتٍ أطول في حياتهم.

ربما يمكننا تسمية هذه التقنية
"الروبوتات ضدّ الشيخوخة"

(ضحك)

أو حتى الخطوةَ المقبلة
من مسيرة تطوّر الإنسان.

على عكس الروبوتاتِ الثقيلة التقليدية،

تستطيع الروبوتاتُ اللينة، الشبيهة بالبشر،
أن تعمل بأمانٍ بقرب الناس

وأن تساعدنا في المنزل.

ما زالَ هذا المجالُ في بدايته،

وأتمنّى أن ينضمّ إلينا
الشبابُ من مختلفِ الخلفيّات

في هذه الرّحلةِ الحماسيّة،

وأن يساعدونا في خلق مستقبلٍ
لهذا المجال الواعد

بتقديم مفاهيمَ جديدة مستوحاةٍ من الطبيعة.

إذا عملنا بشكلٍ صحيح،

يمكننا تحسينُ مستوى الحياة

للبشريّة بأكملها.

شكراً لكم.

(تصفيق)