في مختبر كلية الهندسة بجامعة بوسطن، يقوم ذراع روبوتي بإسقاط قطع صغيرة من البلاستيك في صندوق على الأرض لالتقاطها أثناء سقوطها. هذه القطع، التي لا يتجاوز ارتفاعها بوصة واحدة، تأتي بألوان متعددة مثل الأزرق والأحمر والأرجواني والأخضر والأسود.
كل قطعة هي نتيجة تجربة في الروبوتات الذاتية. يعمل الروبوت بشكل مستقل ويتكيف من خلال التعلم المستمر، في سعيه لإنشاء الشكل الأكثر كفاءة لامتصاص الطاقة.
عملية الابتكار
الروبوت يطبع هيكلًا بلاستيكيًا صغيرًا باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد، يسجل شكله وحجمه، ثم يسحقه بقوة تعادل ضغط حصان عربي بالغ. يقيس الروبوت كمية الطاقة التي امتصها الهيكل وكيف تغير شكله بعد السحق، ويسجل كل التفاصيل.
بعد ذلك، يسقط الهيكل المسحوق في الصندوق وينظف اللوحة المعدنية، جاهزًا لطباعة واختبار القطعة التالية. تعدل تصميم القطعة الجديدة وأبعادها بواسطة خوارزمية الكمبيوتر الخاصة بالروبوت بناءً على جميع التجارب السابقة.
ويظهر هذا المقطع تفاصيل أكثر عن عملية الابتكار.
التحسين المستمر والتطبيقات
تتواصل التحسينات بفضل عمل كيث براون، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية، وفريقه في مختبر كاب (KABlab). الروبوت المعروف باسم MAMA BEAR قد تطور منذ أن تم تصوره في 2018. بحلول عام 2021، بدأ المختبر مهمته لإنشاء شكل يمتص الطاقة بكفاءة.
استمرت التجارب لأكثر من ثلاث سنوات، مملوءة العشرات من الصناديق بأكثر من 25,000 هيكل ثلاثي الأبعاد.
تطبيقات عملية وإنجازات
هناك العديد من الاستخدامات لشيء يمكنه امتصاص الطاقة بكفاءة، مثل التوسيد للإلكترونيات الحساسة أو لواقيات الركبة والمعصم للرياضيين. يقول براون: “يمكنك الاستفادة من هذه البيانات لصنع مصدات سيارات أفضل أو معدات تغليف”.
يجب أن تكون الهياكل مثالية بحيث لا تكون قوية جدًا لتسبب ضررًا، ولكنها قوية بما يكفي لامتصاص الصدمات. قبل MAMA BEAR، كانت أفضل هيكل معروف يصل إلى حوالي 71٪ في كفاءة امتصاص الطاقة. ولكن في يناير 2023، حقق مختبر براون 75٪ من الكفاءة، مسجلاً رقمًا قياسيًا جديدًا. تم نشر النتائج في مجلة Nature Communications.
تصميم قياسي وابتكارات مستقبلية
الشكل الذي حطم الرقم القياسي له أربعة نقاط، مثل بتلات الزهور الرقيقة، وهو أطول وأنحف من التصاميم الأولى. يقول براون: “نحن متحمسون لأن هناك الكثير من البيانات الميكانيكية هنا، ونستخدمها لتعلم دروس عن التصميم بشكل عام”.
تُستخدم هذه البيانات بالفعل في تصميم بطانات خوذات جديدة لجنود الجيش الأمريكي. عمل براون وسناب والمشروع بالتعاون مع إميلي وايتنغ، أستاذة مشاركة في علوم الكمبيوتر في جامعة بوسطن، مع الجيش الأمريكي لإجراء اختبارات ميدانية لضمان أن الخوذات مريحة وتوفر الحماية الكافية من الصدمات.
الدور المتنامي للروبوتات الذاتية في البحث
MAMA BEAR ليس الروبوت البحثي الذاتي الوحيد في مختبر براون. يحتوي مختبره على روبوتات أخرى مثل nano BEAR، التي تدرس سلوك المواد على المستوى الجزيئي. يعمل براون أيضًا مع يورغ فيرنر، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية، لتطوير نظام آخر يعرف باسم PANDA لدراسة آلاف المواد البوليمرية الرقيقة للعثور على الأفضل للاستخدام في البطاريات.
المستقبل المشرق للبحث الذاتي
يأمل مختبر KAB في إثبات أهمية البحث الذاتي. يرغب براون في التعاون مع العلماء في مختلف المجالات الذين يحتاجون إلى اختبار عدد كبير من الهياكل والحلول. على الرغم من أنهم كسروا رقمًا قياسيًا، يقول براون: “ليس لدينا قدرة على معرفة ما إذا كنا قد وصلنا إلى أقصى كفاءة”، مما يعني أنه من الممكن كسر الرقم مرة أخرى. لذا، سيستمر MAMA BEAR في العمل، دافعًا الحدود إلى الأمام.
“سنستمر في دراسة هذا النظام، لأن الكفاءة الميكانيكية، مثل العديد من خصائص المواد الأخرى، تقاس بدقة من خلال التجارب”، يقول براون، “واستخدام المختبرات الذاتية يساعدنا في اختيار أفضل التجارب وتنفيذها بأسرع وقت ممكن”.
