باربارا ماتسولاي: كيف يجب أن تخدم الروبوتات الطبيعة

باربارا ماتسولاي، المدير المساعد للروبوتات ورئيسة مختبر الروبوتات الناعمة المستوحاة من الطبيعة في المعهد الإيطالي للتكنولوجيا في جنوة، تدافع عن مجال بحثي جديد يسمى "الروبوتات المستدامة". الهدف من النهج – تحسين العلاقات بين الطبيعة والإنسانية والتكنولوجيا. في بيان نُشر في يوليو في مجلة Nature Machine Intelligence، وصفت ماتسولاي وزملاؤها رؤية لتصميم الروبوتات التي تضع الاستدامة في قلب التطوير. "نحتاج إلى تقليل أثر تقنيتنا"، – تقول. "الأمر يتعلق حقًا بالتفكير بطريقة مختلفة، وفتح فرص جديدة للروبوتات وللمجتمع". بدأت مسيرة ماتسولاي في العلم منذ طفولتها على ساحل توسكانا بالقرب من مدينة ليفورنو الساحلية. كان والدها مفتشًا حكوميًا للصحة وميكولوجيًا محترفًا؛ كانت الأسرة تستكشف الغابات وتدرس الفطريات والنباتات المحلية. على الرغم من أنها فكرت في البداية في مهنة كفنانة، إلا أنها التحقت بجامعة بيزا في عام 1987 لدراسة علم الأحياء، وجذبتها بشكل خاص البيولوجيا البحرية. بحلول عام 1995، حصلت على درجة الماجستير في علم الأحياء. بعد ذلك بوقت قصير، قبل إكمال تعليمها، شغلت منصب باحث في معهد الفيزياء الحيوية التابع للمجلس الوطني الإيطالي للبحوث، حيث درست دورات المعادن الثقيلة، مثل الزئبق، عبر الأجزاء الحية وغير الحية من البيئة. شمل ذلك جمع وتحليل عينات من الماء والتربة والخضروات وحتى الكائنات البشرية لفهم تأثير هذه المعادن على الصحة والبيئة. بالتوازي مع عملها البحثي، حصلت ماتسولاي في عام 1998 على درجة ماجستير أخرى في إدارة البيئة وأنظمة التدقيق في Scuola Superiore Sant'Anna في بيزا. في عام 1999، علمت أن الجامعة تبحث عن علماء أحياء لتطوير أجهزة جديدة لمراقبة البيئة. تقدمت ماتسولاي بطلب وبدأت العمل كمساعدة بحثية تحت إشراف عالم الروبوتات الحيوية الشهير باولو داريو، حيث بدأت بتطوير أجهزة استشعار، ثم روبوتات لمراقبة الهواء والماء والتربة. حتى قبل بدء برنامج الدكتوراه، تمت ترقيتها في عام 2004 إلى أستاذ مساعد وسرعان ما خطت أولى خطواتها في الروبوتات المستوحاة من الطبيعة. بالتعاون مع زملاء من Sant'Anna، ساعدت في تطوير روبوت ناعم مستوحى من الأخطبوط. "اقترحناه كنموذج لتطوير فكرة الروبوتات الناعمة: لإظهار أن الروبوتات يمكن أن تكون ناعمة، ولكنها في نفس الوقت تطبق قوة كبيرة على البيئة، مثل الحيوان"، – تتذكر.

في عام 2007، التحقت ماتسولاي ببرنامج الدكتوراه في هندسة الأنظمة الدقيقة في جامعة تور فيرجاتا في روما، حيث جمعت بين الدراسة والعمل في Sant'Anna. كانت بالفعل تستخدم تقنيات التصنيع الدقيق لتطوير أجهزة استشعار لروبوتاتها وأرادت دفع هذا الجزء من المجال إلى الأمام. على الرغم من أن الروبوتات غالبًا ما تكون مزودة بأجهزة استشعار للإدراك، مثل أجهزة الاستشعار اللمسية أو الحسية الذاتية، إلا أن هذه الأنظمة تركز عادةً على فهم موقع الروبوت في البيئة المحيطة. "ومع ذلك، هناك عدد قليل من الروبوتات التي تدمج أجهزة استشعار فيزيائية أو كيميائية لفهم حقيقي للبيئة التي تتحرك فيها"، – تشير ماتسولاي. في عام 2009، تم تعيينها كرئيسة فريق في مركز الروبوتات الحيوية الدقيقة في المعهد الإيطالي للتكنولوجيا، حيث واصلت العمل في مجال الروبوتات المستوحاة من الطبيعة المتطور. بعد عامين، أكملت أطروحة الدكتوراه وتمت ترقيتها إلى مديرة المركز. في نفس الوقت تقريبًا، اهتمت ماتسولاي باستخدام النباتات كنموذج لأنواع جديدة من الروبوتات، موسعة الإلهام البيولوجي إلى ما وراء الحيوانات. كانت مهتمة بشكل خاص بقدرة الجذور على استكشاف البيئة تحت الأرض بفعالية، وتخيلت آلات بنفس المهارة يمكن أن تكون لها تطبيقات في النمذجة البيئية والزراعة الدقيقة. عندما اقترحت الفكرة لأول مرة، كان الزملاء متشككين بعض الشيء بشأن الروبوتات المستندة إلى كائنات تبدو ثابتة. لكن في الواقع، تقول ماتسولاي، النباتات تتحرك باستمرار من خلال عملية تعرف بالنمو غير المحدود. "إنها تنمو حقًا طوال حياتها"، – تشرح. "إنها تعدل شكلها وسلوكها وفقًا للبيئة الخارجية؛ إنها تتعافى، تشعر، وتتواصل".

محاولة تقليد نظام يعمل بمبادئ مختلفة تمامًا عن الروبوتات التقليدية تتطلب تفكيرًا جادًا. تقول ماتسولاي إن العمل في الروبوتات المستوحاة من الطبيعة يتطلب أحيانًا وجود "عقلين منفصلين" – واحد للبيولوجي وواحد للمهندس. غالبًا ما يتضمن العملية دراسة عميقة للكائن المستهدف لفهم المبادئ الأساسية التي تشكل وظيفته قبل محاولة إنشاء روبوت قادر على تقليدها. "إنه ليس نسخة من الكائنات الطبيعية"، – تؤكد ماتسولاي، لأن الكائن الحي معقد للغاية لإعادة إنتاجه وله أهداف مختلفة. في حالة جذور النباتات، ما يجعلها فعالة جدًا في استكشاف التربة، – هو أنها تقلل الاحتكاك بالنمو فقط في طرف هيكلها الرقيق، بينما يبقى الجزء الأساسي السميك من الجذر ثابتًا. هذا يقلل بشكل كبير من كمية الطاقة اللازمة للدفع عبر الأرض مقارنةً بالحفر التقليدي الذي يجب أن يدفع الهيكل بأكمله من الأعلى. لتجسيد هذا المبدأ في روبوت، طورت فريقها طابعة ثلاثية الأبعاد مصغرة تقع في طرف الآلة، والتي تقدم خيطًا حراريًا بلاستيكيًا عبر فوهة مسخنة لبناء جسم يشبه الثعبان خلفها. هذا يسمح للروبوت بالدفع بفعالية عبر التربة. يحتوي الطرف أيضًا على أجهزة استشعار تمكنه من تجنب العقبات والكشف عن المغذيات أو الماء القريب. بعد مسيرتها المهنية بأكملها، مستلهمة من الطبيعة، تسعى ماتسولاي الآن إلى رد الجميل. تقول إن العديد من التقنيات الحديثة، بما في ذلك البلاستيك وبطاريات السيارات، تم تطويرها مع القليل من التفكير في كيفية تأثيرها على البيئة في نهاية دورة حياتها. تريد ماتسولاي ضمان أن الروبوتات لن تسلك نفس الطريق. هذا هو الإلهام لما تسميه هي وزملاؤها الآن "الروبوتات المستدامة". النهج له ثلاثة أعمدة رئيسية: ضمان الحد الأدنى من تأثير الروبوتات على البيئة؛ توفرها للأشخاص من مختلف البلدان وجميع الطبقات الاجتماعية والاقتصادية؛ و"التعايش"، مما يضمن الفوائد لكل من البشر والطبيعة. بشكل أكثر تحديدًا، تود ماتسولاي دمج مفهوم دورة الحياة في تصميم الروبوتات، بحيث يمكن إعادة استخدام هذه الآلات أو إعادة تدويرها أو حتى تحللها بيولوجيًا في نهاية حياتها المفيدة. على الرغم من أن هذا قد يبدو طموحًا، إلا أنها واثقة من أن جميع المكونات اللازمة لتحقيق ذلك موجودة بالفعل. وهذه رؤية تثق بأنها ستلهم مهندسي الروبوتات في المستقبل. "هناك شباب يريدون حقًا العمل في هذا المجال، لأنه المستقبل، مستقبلهم"، – تقول. في مواجهة تهديد الضرر البيئي المستمر، "يريدون تطوير شيء يمكن أن يساعد".