فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يطور برنامجًا لطباعة ثلاثية الأبعاد يمكنه استشعار حركة الإنسان

طور الباحثون برنامجًا يمكّن كائنات الطباعة ثلاثية الأبعاد من استشعار والاستجابة لحركة الإنسان. يُعرف هذا النظام باسم X-Hinges، ويقوم تلقائيًا بدمج المستشعرات وقنوات موصلة مصنوعة من مواد مختلفة، بهدف تحسين دقة الإشارة وتقليل التداخل. يسمح البرنامج للمستخدمين بتخصيص الكائنات من خلال ربط الأشكال واختيار ما يصل إلى ثلاثة محاور حركة، ووضع المستشعرات في نقاط الانحناء لتتبع الحركة. من المتوقع أن يمهد هذا الأسلوب الطريق لجعل الأجهزة التفاعلية ممكنة، بما في ذلك الأيدي الآلية والأدوات المنزلية والألعاب وأنظمة الكشف عن الكائنات.

تم تطوير X-Hinges بواسطة باحثين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) وجامعة تيانجين في الصين، وهو برنامج تصميم يمكّن كائنات الطباعة ثلاثية الأبعاد من استشعار الحركة والاستجابة للتفاعل البشري. تدمج هذه التقنية المستشعرات وقنوات التوصيل مباشرة في الكائنات خلال عملية التصنيع، مما يمكنها من الكشف عن الحركة عبر عدة محاور. تم تحسين هذا النظام لمعالجة تحدٍ رئيسي في تصنيع الكائنات التفاعلية: التداخل بين الإشارات الكهربائية الناتجة عن المستشعرات وقنوات التوصيل. من خلال استخدام مواد مختلفة لهذه المكونات، عزز X-Hinges دقة الاستشعار، مما يمكّن الكائنات من التقاط أنواع متعددة من الحركة في الوقت نفسه.

عرض تقنيات نماذج أولية متعددة

عرض الباحثون هذه التقنية من خلال عدة نماذج أولية، بما في ذلك قفاز يمكنه نقل حركات يد الإنسان إلى يد آلية، وإضاءة تكيفية تستجيب للمس، وجهاز يمكنه التعرف على الكائنات باستخدام بيانات اللمس. يمكن للمستشعرات الكشف عن التغيرات الفيزيائية، مثل الانحناء أو الضغط، وتحويلها إلى إشارات كهربائية. تنقل قنوات التوصيل هذه الإشارات إلى المكونات الإلكترونية التي تعالج البيانات. إذا استخدمت مكونان نفس المادة الموصلة، قد تصبح استجابتهما الكهربائية صعبة التمييز. هذا التداخل يقلل من دقة الاستشعار، مما يجعل من الصعب على الأجهزة تحديد حركة منطقة معينة.

يحل X-Hinges هذه المشكلة من خلال دمج مادتين مختلفتين في التصميم تلقائيًا. تُستخدم مادة واحدة للمستشعرات وتُختار لإنتاج إشارات قوية، بينما تُستخدم الأخرى لإنشاء قنوات توصيل تهدف إلى تقليل التداخل. تساعد هذه الفجوة النظام على التمييز بين قراءات المستشعرات بشكل أكثر موثوقية، مما يمكّن الكائنات من الاستجابة في الوقت الحقيقي لإدخال الإنسان. يوفر البرنامج أيضًا واجهة لإنشاء كائنات تفاعلية، من خلال اختيار وربط الأشكال وتعريف حركة مكوناتها. يمكن للمستخدمين اختيار أشكال أسطوانية أو مستطيلة أو حواف رفيعة أو أشكال هندسية مخصصة، وتحديد ما يصل إلى ثلاثة محاور حركة.

على سبيل المثال، قد تحتاج اليد الآلية إلى تحريك أطراف أصابعها لأعلى ولأسفل وللجانبين. يمكن لـ X-Hinges دمج مستشعرات في المفاصل لالتقاط الحركة عبر محورين، وتوفير بيانات لمساعدة يد آلية أخرى على إعادة إنتاج حركات المستخدم.

استخدم الباحثون X-Hinges لتطوير قفاز يمكنه تسجيل انحناء مفاصل أصابع المستخدم ونقل بيانات الحركة إلى اليد الآلية. تم تصميم هذا القفاز ليتكيف مع أشكال اليد المختلفة، وقد يساعد الروبوتات على تعلم حركات الإمساك من العروض البشرية، مع تطبيقات محتملة في المصانع والمنازل. نموذج أولي آخر هو مصباح قابل للطي يمكنه اكتشاف ما إذا كان شخص ما يضغط عليه وضبط سطوعه وفقًا لذلك. كما أنشأ الفريق جهاز استشعار لمسي يمكنه التعرف على الكائنات بناءً على بيانات المستشعرات الخاصة بالأشياء الموضوعة عليه، مثل الموز.

التحديات المتعلقة بالمعايرة

عرض جهاز تحكم ألعاب على شكل سمكة قرش كرتونية قدرة البرنامج على التصميم المخصص. قام الباحثون بتكوين ذيله ليحرك لأعلى ولأسفل، مما يمنحه وظيفة مشابهة لوظيفة عصا التحكم. على الرغم من هذه القدرات، لا يزال X-Hinges يواجه تحديات في المعايرة. خلال عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد، قد تؤدي التغيرات الطفيفة في ترتيب المكونات الكهربائية إلى إنتاج قراءات مستشعرات مختلفة لكائنات تبدو متشابهة. لمعالجة هذه المشكلة، طور الباحثون نظام رؤية حاسوبية لإعادة معايرة مخرجات المستشعرات، مما يعزز التناسق بين الأجهزة. يأملون في تطوير آلية إعادة معايرة متكاملة في الإصدارات المستقبلية.

تستند هذه الدراسة إلى الجهود السابقة لإنشاء هياكل قادرة على الحركة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد. الهدف طويل الأمد للفريق هو دمج الاستشعار والتنفيذ في عملية طباعة واحدة، مما يمكّن الكائنات من استشعار التفاعل وتنفيذ الحركات الفيزيائية في الوقت نفسه.

إمكانات X-Hinges في الأجهزة التفاعلية

يمثل تطوير برنامج X-Hinges تقدمًا مهمًا في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، حيث يمكن دمج قدرات الاستشعار في الكائنات، مما سيكون له تأثير عميق على الأجهزة التفاعلية في المستقبل. من خلال معالجة مشكلة التداخل بين المستشعرات وقنوات التوصيل، يوفر الباحثون إمكانيات لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الأيدي الآلية ومنتجات المنزل الذكي. لا تعزز هذه التقنية فقط دقة التفاعل بين الإنسان والآلة، بل تعزز أيضًا تعلم الروبوتات وتكيفها مع السلوك البشري، مما يدفع عملية الأتمتة والذكاء إلى الأمام.