روبوتات مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة تعمل بدون إلكترونيات

في عالم تصنيع الروبوتات، لا يزال حلم تصنيع آلات جاهزة للاستخدام مباشرةً بعيدًا لسنوات عديدة، أو على الأقل كان كذلك. وقد أذهل فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا السوق مؤخرًا بعد نشر تفاصيل طريقة تصنيع جديدة وتصميم روبوت لا يتطلب كهرباء وجاهز للاستخدام مباشرةً من الطابعة. إليك ما تحتاج إلى معرفته عن: 3D المطبوعة الروبوتات.

كيف تُصنع الروبوتات؟ استكشاف تقنيات تصنيع الروبوتات الحديثة

هناك أنواعٌ عديدةٌ من الروبوتات، وطرقٌ أكثرُ لتصنيعها. يُمكن بناء الروبوتات التقليدية على خطوط التجميع، وقد تتطلب خطواتٍ عديدةً للتجميع والتشغيل. على سبيل المثال، قد يُنتج مُصنِّعٌ واحدٌ هيكلَ الروبوت، بينما يُنتج آخرون المكونات الإلكترونية والبطاريات وأجهزة التحكم وغيرها من المكونات الأساسية.

ما هي الروبوتات اللينة؟ فوائدها واستخداماتها العملية

الروبوتات اللينة الروبوتات اللينة هي نوع آخر من الآلات التي تستغني عن الهيكل الخارجي الصلب الموجود في الروبوتات التقليدية. وبدلًا من ذلك، تستخدم الروبوتات اللينة مواد بديلة مثل السيليكونات وتصاميم تتيح لها تغيير شكلها. ومن أهم مزايا الروبوتات اللينة أنها تدعم التحكم بها، وقادرة على التنقل في بيئات معقدة، وتوفر تفاعلًا آمنًا مع البشر.

التطورات في الطباعة ثلاثية الأبعاد للروبوتات الناعمة ذات الدوائر السائلة

أدى الطلب المتزايد على الروبوتات اللينة إلى تطوير عمليات التصنيع بشكل كبير. وقد مكّنت التطورات الحديثة في الطباعة ثلاثية الأبعاد المهندسين من تصميم روبوتات لينة أكثر كفاءةً في عملية واحدة. وتُقلل أحدث أساليب تصنيع الروبوتات اللينة الحالية من تعقيدها.

لإنجاز هذه المهمة، تُستخدم دوائر هوائية تستفيد من استجابات المواد غير الخطية. يُمكّن استخدام دوائر التحكم السائلة المهندسين من تصنيع المزيد من الأجهزة في موقع واحد. والجدير بالذكر أن مهندسي هذا المشروع كان لهم دور محوري في أعمال أخرى، بما في ذلك تصميم روبوت قابض ومجنزر مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد مزود بدوائر تحكم مدمجة.

التحديات في الطباعة ثلاثية الأبعاد وتجميع الروبوتات الناعمة

لا يزال قطاع تصنيع الروبوتات الناعمة يواجه العديد من المشاكل. أولًا، تسمح أنظمة الصب بتصنيع الأجزاء، لكن التحكم في الوحدات لا يزال يتطلب مكونات إضافية. كما أنها مكلفة وتتطلب جهدًا بشريًا مكثفًا، وليست متاحة بسهولة لمعظم الناس.

في كثير من الحالات، يجب توصيل نظام معقد من المضخات والصمامات وغيرها من الأجهزة الإلكترونية بالجسم على لوحة منفصلة عبر أسلاك لتحقيق أي شكل من أشكال الحركة المتحكم بها. إن الحاجة إلى ربط الحذاء تُلغي فوائده وتحد من قدراته كروبوت مرن، مثل التنقل في الأماكن أو البيئات الضيقة.

دراسة جديدة تكشف عن روبوت يمشي بالكامل بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، خالٍ من الإلكترونيات

الدراسة "تصنيع رقمي مترابط لروبوتات المشي ذاتية التشغيل على سطح مكتب"¹ نُشرت دراسة في مجلة Advanced Intelligent Systems، تُسلّط الضوء على كيفية تطوير المهندسين لروبوت بستة أرجل، مطبوع بالكامل بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، خالٍ من الإلكترونيات، ويستطيع المشي فورًا بعد الطباعة. والأكثر إثارة للإعجاب هو أن الجهاز يعمل بمصدر ضغط هواء ثابت فقط.

تُعدّ هذه الدراسة ثوريةً لأسبابٍ متعددة. أولًا، تُوضّح بالتفصيل كيف تمكّن المهندسون من التغلب على تحديات الطباعة ثلاثية الأبعاد لصمام مغلق. في التقرير، نجح الفريق في تحقيق حركة روبوتية خارج الطابعة باستخدام التذبذب المتماثل عبر صمامات تأخير الطور التي تعمل بالهواء.

كيف تُمكّن الطابعات ثلاثية الأبعاد المكتبية الروبوتات الناعمة من العمل بكامل طاقتها

من الجدير بالذكر أن المهندسين استخدموا طابعة ثلاثية الأبعاد مكتبية جاهزة للاستخدام التجاري لإنشاء مكونات ناعمة ذات أشكال هندسية معقدة تتطلب الحد الأدنى من الجهد البشري. ويجري المهندسون أبحاثًا على عدة مواد. بل وصل بهم الأمر إلى الشراكة مع شركة باسف عبر تحالف كاليفورنيا للأبحاث (CARA) لاختبار المواد الأنسب لإنشاء الهيكل والعضلات الاصطناعية ونظام التحكم لروبوت الفريق ذي الأرجل الستة.

المصدر جامعة كاليفورنيا سان دييغو

روبوت متحرك مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد يعمل مباشرة من الطابعة

يستطيع الروبوت المتحرك الذي طبعه الفريق المشيَ تلقائيًا دون أي مكونات إلكترونية. بل يعتمد على الهواء المضغوط وشبكة من الصمامات التي تُفتح وتُغلق بناءً على تغيرات الضغط لتحريك أرجله الستة. والجدير بالذكر أن ابتكار الفريق قادر على عبور التضاريس الوعرة دون قيود، باستخدام خرطوشة غاز مضغوط فقط كمصدر للطاقة.

أرجل الروبوت

من الجوانب الفريدة لهذا الروبوت الجاهز تصميم أرجله. طُبعت الأرجل الستة باستخدام خيوط طباعة ثلاثية الأبعاد متوفرة تجاريًا. كل ساق مزودة بمحركات هوائية ناعمة وقابلة للطباعة. يوفر هذا التصميم لكل ساق أربع درجات حركة، ويمكن لكل ساق التحرك لأعلى ولأسفل وللأمام وللخلف.

لإنشاء حركة مشي، يجب توصيل الأرجل بنوع من الهواء أو السائل المضغوط. تحت ضغط ثابت، تنحني إحدى الأرجلين للأسفل، رافعةً الجسم إلى أعلى، مما يساعد الروبوت على تجاوز التضاريس الوعرة. في الوقت نفسه، ترتفع مجموعة أخرى قليلاً. من هناك، تنحني المجموعة الأخيرة للأسفل باتجاه الخلف لتُحدث حركة دفع للأمام. يؤدي هذا إلى انحناء الأرجل الأمامية للأسفل، مُكملةً دورة خطوة.

المحركات الناعمة

تجدر الإشارة إلى أن الجهاز قادر على إنجاز هذه المهمة بفضل دمج الدوائر السائلة المدمجة في جسم الروبوت. كانت طباعة هذه الأجهزة أصعب مما تتصور. واضطر المهندسون إلى بذل جهد كبير لتحديد أفضل طريقة لطباعة هذه المكونات المحكمة الإغلاق، مثل المحركات والصمامات والمستشعرات.

دائرة تذبذبية هوائية

يعتمد تصميم هذا الروبوت الناعم من الجيل الجديد على دائرة مذبذب سائل قابلة للطباعة. تُولّد هذه الدائرة أربع إشارات ضغط خرج دورية، وهي إشارات حيوية. ومن المثير للإعجاب أن المهندسين صمموها لإنجاز هذه المهمة باستخدام مدخل ضغط واحد فقط.

قرروا أن صمامًا متذبذبًا أحاديًا رباعي الطور، قابلًا للطباعة ثلاثية الأبعاد، ثنائي الاستقرار، هو الحل الأمثل. يدمج صمامهم المتذبذب، المصمم خصيصًا، ست حالات في دورة عمل واحدة. ولإنجاز هذه المهمة، يستخدم الحركات الميكانيكية للأغشية الداخلية وقنوات الصمام للتحكم في العتبات، مما يُحدث تغيرات في الحالة نتيجةً لتغيرات الضغط التدريجية.

يوجّه كل صمام تدفق الهواء إلى المرحلة التالية من العملية عند بلوغ الضغط الحد الأقصى. ومن المثير للاهتمام، أنه عند سؤال الفريق عن كيفية توصلهم إلى هذا المفهوم، أجابوا بأن التصميم مستوحى من محركات القاطرات البخارية المبكرة.

ما مدى متانة الروبوتات المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد؟ نتائج الاختبارات تكشف

بدأت مرحلة الاختبار المخبري للروبوت الناعم بعملية مراقبة في الهواء الطلق. في هذه الخطوة، رُفع الروبوت وفُرض عليه ضغط هواء. ثم دوّن الفريق الحركات الدقيقة التي قام بها الروبوت وكيف ستؤثر على حركته إذا كان على الأرض. بعد تسجيل حركات الأرجل في الهواء، تمكن الفريق من تعديل التصميم لإنشاء نمط مشي مميز.

كان الاختبار التالي هو معرفة كيفية عمل الروبوت بضغط الهواء فقط. اختبر الفريق تشغيله بدون إلكترونيات باستخدام خرطوشة ثاني أكسيد الكربون سعة 16 غرامًا مع منظم ضغط ميكانيكي مضبوط على 2 رطل/بوصة مربعة. ولاحظوا أن هذا الإعداد يسمح لهم بالعمل لمدة 20 ثانية تقريبًا.

اختبار مدى الحياة

بعد ذلك، تم اختبار المتانة عبر دورات الحياة. ركز الفريق على اختبار صمام واحد للحصول على أقصى قدر من التفاصيل. كجزء من الاختبار، تم تطبيق ضغط ثابت وتسجيل آثاره. ولاحظوا أن الصمام المتذبذب عمل لمدة 19,809 دورة قبل أن يتعطل تمامًا.

نتائج اختبار الروبوتات المطبوعة ثلاثية الأبعاد

كشف الاختبار المخبري عن نتائج مبهرة. أولًا، استطاع الروبوت الذي صممه الفريق اجتياز مجموعة واسعة من التضاريس. نجح الروبوت في عبور العشب والرمال والعديد من التضاريس الصعبة الأخرى، بما في ذلك تحت الماء.

من المثير للاهتمام أن الروبوت قطع مسافة 85 سم في 21 ثانية بسرعة 4 سم في الثانية خلال تجاربه على الأسطح الملساء. وكشفت الاختبارات أن رفع الأرجل في التسلسل الأول من خطواته ساعد الروبوت على اكتساب قوة رفع كافية للتنقل عبر البيئات الوعرة.

أظهر اختبار المتانة أن الأجهزة قادرة على العمل دون توقف لمدة ثلاثة أيام متواصلة. إضافةً إلى ذلك، اكتشف الفريق أن نقطة الضعف الرئيسية في التصميم هي الأغشية الأربعة في الصمام المتذبذب. لم يكن هذا الاكتشاف مفاجئًا، إذ إن هذه المكونات هي الأكثر تحملًا لضغط الهواء، والقوة المتكررة، والانحراف داخل النظام.

فوائد طباعة الروبوتات الناعمة ثلاثية الأبعاد بدون إلكترونيات

تُقدم دراسة الروبوتات المطبوعة ثلاثية الأبعاد فوائد متعددة. أولًا، يُمكن طباعة هذه الأجهزة باستخدام حلول طباعة ثلاثية الأبعاد مكتبية عادية. هذا النهج يعني سهولة وصول الأشخاص العاديين والشركات إلى هذه الوحدات. فهي جاهزة للاستخدام مباشرةً من الطابعة، ولا تتطلب أي تدخل بشري أو تنظيف بعد الطباعة لتكون جاهزة للعمل.

لماذا تُعدّ الروبوتات المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، الخالية من الإلكترونيات، نقطة تحول؟

من أروع جوانب المشروع بالتأكيد قرار الاستغناء عن الإلكترونيات. قدرة هذه الأحذية على العمل بدون إلكترونيات تعني أنها الحل الأمثل للبيئات غير الملائمة للإلكترونيات.

تُعدّ الدراسات العلمية في الفضاء، أو حول المواقع ذات الإشعاع أو المغناطيسية العالية، مثالاً رئيسياً على فائدة هذه الأجهزة. إضافةً إلى ذلك، لطالما كانت البيئات تحت الماء مصدر إزعاج للإلكترونيات التقليدية بسبب قيود الضغط العالي.

الروبوتات منخفضة التكلفة: كيف تُسهم الطباعة ثلاثية الأبعاد في جعل الروبوتات أرخص؟

تفتح هذه الدراسة الباب أمام طباعة روبوتات منخفضة التكلفة للغاية. بلغ سعر الجهاز الذي صممه فريق المهندسين حوالي 20 دولارًا. ورغم أن هذا الجهاز قد لا يستطيع المشي إلا أن التصاميم المستقبلية قد تساعدك على إنجاز المهام الأساسية دون زيادة فاتورة الكهرباء أو تكاليف التصنيع.

الروبوتات المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد: استخداماتها في العالم الحقيقي ومتى نتوقعها

هناك تطبيقات عديدة للروبوتات الخالية من الإلكترونيات. يمكن إرسال هذه الأجهزة لإجراء عمليات مراقبة دقيقة للمناطق المعادية أو الخطرة. ميزة هذا النهج هي إمكانية إسقاط طابعة في الموقع وإنشاء روبوتات فيه، مما يُسهّل عملية النقل.

قد تُسهم البيانات الواردة في دراسة الروبوتات اللينة في النشر السريع لوحدات مرنة ومنخفضة التكلفة في بيئات تتعطل فيها الإلكترونيات التقليدية، مثل المناطق ذات الإشعاع القوي، أو مناطق الكوارث، أو حتى الكواكب الأخرى. ونظرًا لبساطة التصميم وقدرته على تحمل التكاليف، فقد تظهر تطبيقات عملية خلال السنوات الثلاث إلى الخمس القادمة.

تعرف على الفريق الذي يقف وراء الروبوت المطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الخالي من الإلكترونيات

أُجريت دراسة الروبوتات المطبوعة ثلاثية الأبعاد في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو. وشارك في الدراسة كلٌ من ييتشين تشاي، وجياياو يان، ومايكل ت. تولي. كما أدرجت الورقة البحثية أسماءً بارزةً مثل ألبرت دي بور، ومارتن فابر، وروهيني جوبتا، وتحالف أبحاث كاليفورنيا التابع لشركة باسف. كما مُوِّلت الدراسة جزئيًا من قِبل المؤسسة الوطنية للعلوم.

يُذكر أن هذا الفريق كان له دور محوري في تطوير تقنية الروبوتات اللينة. قدّم الفريق في عام ٢٠٢٢ ماسكًا روبوتيًا خالٍ من الإلكترونيات. ساعدتهم هذه التجربة على ابتكار الجيل القادم من الأجهزة الخالية من الإلكترونيات. يهدف الفريق الآن إلى إيجاد طرق لنقل تخزين الغاز المضغوط داخليًا، والبحث عن مواد أكثر قابلية للتحلل الحيوي.

أفضل الشركات التي تعمل على تطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد والروبوتات الناعمة

يتزايد استخدام الروبوتات في المنازل والشركات، مما يُبرز الحاجة الملحة للسيطرة على هذا السوق. ومن الجدير بالذكر أن سوقي الروبوتات والطباعة ثلاثية الأبعاد يضمان العديد من الشركات الرائدة، حيث استثمرت هذه الشركات مليارات الدولارات في البحث والتطوير لابتكار أجهزة فعّالة من الجيل التالي. إليكم شركة تواصل الابتكار والإنجاز.

شركة أنظمة ثلاثية الأبعاد

شركة أنظمة ثلاثية الأبعاد (DDD ) دخلت السوق عام ١٩٨٦، ومقرها كاليفورنيا. كان هدفها الأساسي تقديم خدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد من الجيل التالي للعملاء التجاريين. وبصفتها رائدة في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد، لعبت الشركة دورًا محوريًا في تصميم النماذج الأولية والمكونات الأساسية الأخرى لأسواق الطيران والسيارات والرعاية الصحية والترفيه والصناعة.

اليوم، تتصدر شركة ثري دي سيستمز تطوير تقنيات التصنيع الإضافي، بما في ذلك تطبيقاتها في مجال الروبوتات. يعمل لدى الشركة أكثر من 3 موظفًا، وحققت إيرادات بلغت 1,925 مليون دولار أمريكي في عام 488. بالإضافة إلى ذلك، أبرمت الشركة شراكة استراتيجية مع شركة دايملر للحافلات لتوفير طابعات ثلاثية الأبعاد محلية قادرة على إنتاج قطع الغيار.

أحدث الأخبار عن شركة 3D Systems Corp.

الروبوتات المطبوعة ثلاثية الأبعاد

تمثل هذه التطورات خطوةً أخرى إلى الأمام في تطور الروبوتات اللينة. فمن خلال الاستغناء عن الإلكترونيات وتمكينها من أداء وظائفها الكاملة مباشرةً من طابعة مكتبية ثلاثية الأبعاد، يُمهد هذا البحث الطريق لآلات ميسورة التكلفة، مرنة، وقابلة للنشر في بيئات لا تفي فيها الروبوتات التقليدية بالغرض. ومع استمرار التطوير، تُعد التطبيقات المحتملة - من الإغاثة من الكوارث إلى استكشاف الفضاء - واسعةً وملهمةً. تحيةٌ حارةٌ لهؤلاء المهندسين على عملهم الدؤوب وجهودهم التي قد تُغير مسار صناعة الروبوتات مستقبلًا.

تعرف على المزيد من الاكتشافات الرائعة في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد .

الدراسات المشار إليها:

^{1. تشاي واي. يان جي. دي بوير أ. فابر إم. غوبتا آر وتولي إم تي (2025). تصنيع رقمي مترابط لسطح مكتب من الروبوتات ذاتية المشي.أنظمة ذكية متقدمة. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}