یک پمپ نفس‌زنان، لوله‌ای الاستیک و اندکی کنجکاوی کافی بوده‌اند تا ماشینی ساخته شود که همه قواعد سنتی رباتیک را زیر سؤال ببرد. برخلاف ربات‌های معمولی که به خطوط کدنویسی وابسته‌اند، این ربات نرم تنها با فشار هوا و فرم بدنی خود کار می‌کند.
رباتی که با فیزیک بدنش حرکت می‌کند، نه با کد
آلبرتو کومورتو، نویسنده اصلی این مطالعه، به همراه تیمش در مؤسسه تحقیقاتی AMOLF در هلند، این دستگاه دو پوندی را ساخته‌اند. آن‌ها مشاهده کردند که این ربات به‌راحتی روی میز آزمایشگاه قدم می‌زند، از روی یک کتاب عبور می‌کند و سپس وارد یک مخزن آب شده، همانند سگ تریر در آب پارو می‌زند.
یوهانس اورفِلد، از اعضای دیگر AMOLF، به نمایش این حقیقت کمک کرد که این ربات ساده می‌تواند بدون هیچ ترانزیستوری، حرکاتش را با سطح زمین یا آب تطبیق دهد.
بازنگری در مفهوم کنترل با استفاده از جریان هوا
حذف کنترلگر دیجیتال
در ربات‌های سنتی، کنترلگر دیجیتال تصمیم‌گیری‌ها را انجام می‌دهد، اما هر چرخه تصمیم‌گیری نیازمند زمان و انرژی است. در مقابل، ربات AMOLF تمامی این وظایف را به فیزیک اندام‌های پنوماتیکی خود می‌سپارد. این کار باعث کاهش تأخیر واکنش به چند میلی‌ثانیه و تقلیل اجزای لازم به تنها یک پمپ و چهار سوپاپ شده است.
عملکرد اندام‌ها با نوسان خودکار
هر اندام از یک لوله سیلیکونی توخالی تشکیل شده که به شکل زانویی نرم خم شده است. جریان هوای مداوم باعث ایجاد چین‌خوردگی‌ای می‌شود که در طول لوله حرکت کرده، باز شده و دوباره از نو شکل می‌گیرد، و در نتیجه حرکت ضربه‌ای ریتمیکی ایجاد می‌شود.
این نوسان خودکار به ۳۰۰ هرتز می‌رسد که بسیار سریع‌تر از ربات‌های نرم قبلی با حداکثر سرعت ۳ هرتز است.
هماهنگی طبیعی بین اندام‌ها
تمام لوله‌ها از یک خط هوای مشترک استفاده می‌کنند. این موضوع باعث می‌شود تغییر فشار در یکی از اندام‌ها، بر دیگر اندام‌ها نیز تأثیر گذاشته و همانند اتصال فنر به ردیفی از ساعت‌های مترونوم، حرکت هماهنگ و خودبه‌خودی ایجاد شود.
- روی فرش: اندام‌ها سفت می‌شوند و به‌صورت هماهنگ روی زمین ضربه می‌زنند، در نتیجه ربات به‌سرعت پیش می‌رود.
- در آب: مقاومت کاهش می‌یابد، فاز حرکت تغییر می‌کند و بدن ربات تبدیل به یک شناگر می‌شود.
رباتی که خودش از خودش یاد می‌گیرد
تولد ایده با یک صدا
کومورتو این پدیده را هنگام فشردن یک شلنگ هوا و شنیدن صدای خاص آن کشف کرد. دوربین‌های با سرعت بالا نشان دادند که چین‌خوردگی‌ها همراه با موج فشار حرکت می‌کنند؛ درست مانند رقصنده‌های بادی «Fly Guy» که برای المپیک ۱۹۹۶ آتلانتا طراحی شدند.
با کنترل طول لوله، ضخامت دیواره و زاویه خم، تیم توانست این چرخه را از یک رقص بی‌هدف به یک موتور مکانیکی تبدیل کند.
کنترل کامل تنها با جریان هوا
تیمی از مهندسان، اسکلت سختی را چاپ سه‌بعدی کردند که لوله‌ها را در زاویه‌ای دقیق ثابت نگه می‌دارد تا گرانش، پاها را هنگام عبور چین‌خوردگی به پایین فشار دهد. به‌جای استفاده از نرم‌افزار، نرخ جریان هوا تنظیم شد تا بتوان بین حرکت آهسته، جهش سریع و رقص درجا جابه‌جا شد.
کومورتو می‌گوید:
«خیلی هیجان‌زده بودیم چون حرکت نامتقارن، دوره‌ای و خودپایدار را دیدیم. هیجان‌مان بیشتر شد وقتی دیدیم اندام‌ها بدون دخالت ما رفتار یکدیگر را تقلید می‌کنند.»
راه رفتن، سپس شنا کردن
در ابتدا تعداد زیاد شلنگ‌ها مانع عملکرد بود. تیم، طراحی را به دو پا محدود کرده و پمپ را روی خود ربات نصب کرد.
- جریان هوا از ۱۵ لیتر استاندارد در دقیقه به کمتر از یک لیتر کاهش یافت.
- مصرف انرژی نیز به تنها ۰٫۱۲ وات برای دو پا رسید.
این صرفه‌جویی باعث شد ربات بتواند با یک باتری کوچک به اندازه موبایل نیم ساعت فعالیت کند.
درک ابتدایی از نور و موانع
با نصب دو فتودیود متصل به یک رله، ربات توانست نور را تعقیب کند؛ همانند پروانه‌ای که به سمت چراغ می‌رود.
- وقتی به دیوار برخورد می‌کند، به چپ می‌چرخد.
- اگر وارد آب شود، شروع به شنا به عقب می‌کند.
اورفلد می‌گوید:
«ما این واکنش‌ها را طراحی نکردیم، فقط به طور طبیعی اتفاق می‌افتند.»
در یک آزمایش دیگر، وقتی دیوار آکریلی مسیر را سد کرد، نوسانات ربات تغییر کرد، مسیرش منحرف شد و بدون “دانستن” وجود مانع، از آن عبور کرد.
در مخزن آب، پاها فاز حرکت را تغییر دادند تا شبیه سگ شنا کنند و بدنه را در ده ثانیه سه برابر طول خود به جلو ببرند.
عملکرد بیشتر، مصرف کمتر
کاهش مصرف با طراحی غیرفعال
پمپ هنوز بخش عمده وزن را تشکیل می‌دهد. پژوهشگران اکنون در حال آزمایش غشاهای نازکی هستند که به‌صورت سوپاپ‌های غیرفعال عمل کرده، و لوله‌ها را با استفاده از تخلیه هوای همسایه به‌طور ریتمیک فشار می‌دهند.
اگر موفق شوند، پمپ می‌تواند به اندازه ناخن کوچک شود و باتری به یک سلول سکه‌ای تقلیل یابد.
کاربرد پزشکی: قلب مصنوعی نرم
پروژه‌ای دیگر با استفاده از همان اندام‌ها، یک قلب مصنوعی نرم ساخته که با فشار خون هماهنگ می‌تپد. اورفلد معتقد است که ایمپلنت‌های پزشکی باید به‌طور خودکار و بی‌نیاز از به‌روزرسانی نرم‌افزاری کار کنند.
فراتر از اسباب‌بازی‌ها و دموها
تجلی «هوش در بدن»
این مطالعه نوید دستگاه‌هایی را می‌دهد که به‌جای هوش سیلیکونی، از هوش تجسم‌یافته (embodied intelligence) بهره می‌برند؛ یعنی کنترلی که در شکل و ماده ذخیره شده است.
در زیست‌شناسی نیز، بازتاب‌های نخاعی و کشسانی تاندون‌ها به مغز کمک می‌کنند تا برنامه‌ریزی کند، نه مدیریت لحظه‌ای.
کاربردهای صنعتی و امدادی
بازوهای رباتیک صنعتی سخت‌ساخت به‌زودی در کنار گیره‌های نرم قرار خواهند گرفت که تنها با جریان هوا، قدرت خود را تنظیم می‌کنند.
ربات‌های جست‌وجو و نجات می‌توانند بدون خطر اتصال کوتاه از آوار عبور کنند، سپس با همان اندام‌ها از سیلاب عبور کنند.
پاسخ به چالش پایداری
با توجه به رشد روزافزون زباله‌های الکترونیکی ناشی از موتورها و مدارها، استفاده از پمپ، شلنگ و الاستومر قابل بازیافت اثر محیط‌زیستی بسیار کمتری دارد.
ربات‌های نرم در فضا
برخی منتقدان می‌گویند که سیستم‌های هوا در ارتفاعات بالا و خلا کارایی ندارند. اما نویسندگان مقاله طراحی‌های هیبریدی با گاز فشرده و تولیدکننده‌های شیمیایی گاز را برای کاوش‌های فضایی پیشنهاد می‌دهند.
مطالعات آینده، معادلات تغییر فاز و رزونانس را نقشه‌برداری خواهند کرد تا مهندسان بتوانند گام‌هایی برای صعود یا حفاری را طبق نیاز تنظیم کنند.
از آزمایشگاه تا کاربرد روزمره
رباتیک نرم طی کمتر از پانزده سال از اسباب‌بازی‌های شل و ول به ابزارهای کاربردی رسیده است.
تیم هلندی با نشان‌دادن اینکه فیزیک ساده می‌تواند حرکات پیچیده را با صدها ضربه در ثانیه هدایت کند، زمینه را برای استفاده‌های روزمره فراهم کرده است.
گام بعدی: قابلیت اطمینان در درازمدت
چالش بعدی در این مسیر، دستیابی به دوام طولانی‌مدت است؛ نه در حد ساعت، بلکه در حد سال‌ها. چراکه کسی نمی‌خواهد یک ربات نجات را دائم چک کند یا هر فصل پمپ قلبی را تعویض کند.
کومورتو می‌گوید:
«گاهی مسیر طول عمر بالا، با یک صدا آغاز می‌شود، نه با یک جدول محاسباتی.»
این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.
