الفطر يحرّك الروبوتات؟! قد يبدو الأمر كأنه مأخوذ من فيلم خيال علمي، ولكن هذا في الواقع نتيجة أبحاث علمية حقيقية. فريق في جامعة كورنيل قد طوّر روبوتاً مبتكراً مستلهماً من الفطر العادي الموجود على أرض الغابة. هذا “الروبوت الحيوي الهجين” يتحكم فيه إشارات كهربائية صادرة من ميسيليوم الفطريات. إنه اختراع مذهل يمزج بين حكمة الطبيعة والتكنولوجيا المتقدمة.
By Cornell University
لماذا استخدام ميسيليوم الفطر؟
تقليدياً، استُوحي تطوير الروبوتات غالباً من المملكة الحيوانية. هناك العديد من الروبوتات التي تحاكي حركات الحيوانات وقدرات التعرف على البيئة ووظائف تنظيم درجة الحرارة. ومع ذلك، عندما يتعلق الأمر بالروبوتات التي تضم خلايا أو أنسجة حية، كان من الصعب الحفاظ على هذه الأنظمة البيولوجية في حالة صحية ووظيفية.
هنا يأتي دور ميسيليوم الفطر. الميسيليوم هو شبكة الخلايا المشابهة للخيوط التي تشكل جسم الفطر، وعادة ما تنتشر تحت الأرض. الميسيليوم له عدة مزايا:
- يمكنه النمو في بيئات قاسية
- لديه القدرة على استشعار الإشارات الكيميائية والبيولوجية
- يمكنه الاستجابة لعدة مدخلات
يشرح البروفيسور روبر شيبرد، قائد فريق البحث، “من خلال دمج الميسيليوم في إلكترونيات الروبوت، تمكنا من تمكين الآلة الهجينة الحيوية من الاستشعار والاستجابة لبيئتها.” هنا، يشير “الآلة الهجينة الحيوية” إلى الروبوت الذي يجمع بين العناصر البيولوجية (في هذه الحالة، الميسيليوم) والمكونات الميكانيكية.
تفاصيل البحث
هذا البحث مفصل في ورقة بعنوان “التحكم الحركي في الروبوتات بواسطة القياسات الكهروفسيولوجية لميسيليوم الفطريات“، نُشرت في “علوم الروبوتات“. يصرح المؤلف الرئيسي، أناند ميشرا، “هذه الورقة هي الخطوة الأولى في العديد من الدراسات التي ستستخدم مملكة الفطريات لتوفير استشعار بيئي وإشارات أوامر إلى الروبوتات، مما يحسن من مستويات استقلاليتها.”
يشير “الاستشعار البيئي” هنا إلى قدرة الروبوت على رصد محيطه. “الاستقلالية” تعني قدرة الروبوت على اتخاذ القرارات والتصرف بمفرده دون تحكم خارجي مباشر.
قام فريق البحث بجمع خبرات من مجالات مختلفة لمعالجة التحدي المعقد الذي يجمع بين الفطريات والإلكترونيات. كان مطلوبًا المعرفة في الهندسة الميكانيكية، الإلكترونيات، علم الفطريات، علم الأعصاب، ومعالجة الإشارات.
كيف يعمل النظام
النظام الذي طوره فريق البحث يتكون من العناصر التالية:
- واجهة كهربائية: تقوم بمنع الاهتزاز والتداخل الكهرومغناطيسي، تسجل بدقة وتتعامل مع النشاط الكهروفسيولوجي للميسيليوم في الوقت الحقيقي. “النشاط الكهروفسيولوجي” يشير إلى الإشارات الكهربية الضعيفة التي تصدرها الخلايا البيولوجية. تحديدا، تقيس التغيرات في الجهد الكهربائي الناتجة عن تدفق الأيونات عبر أغشية خلايا الميسيليوم. تتذبذب هذه الإشارات الكهربائية عندما يكتشف الميسيليوم تغييرات في البيئة (الضوء، درجة الحرارة، المواد الكيميائية، الخ)، مما يشكل الأساس للاستشعار البيئي.
- لوحة التحكم: مستوحاة من مولدات الأنماط المركزية (CPGs). CPGs هي دوائر عصبية في النظم البيولوجية تولد حركات إيقاعية. على سبيل المثال، يتم التحكم في أنماط المشي والتنفس الإيقاعية للإنسان بواسطة CPGs.
تستخدم هذه المفاهيم في النظام الروبوتي لتحويل الإشارات الكهربائية التي تم الحصول عليها من الميسيليوم إلى أنماط حركية إيقاعية. تحديدا، تحلل دورية وكثافة الإشارات الكهربائية للميسيليوم وتستخدم هذه المعلومات لتوليد أنماط الحركة للروبوت (إيقاعات المشي، تغييرات الاتجاه، الخ). هذا يسمح بالتحكم الطبيعي والفعال في حركات الروبوت استجابة للتغيرات في البيئة المحيطة.
يقرأ النظام الإشارات الكهربائية الخام من الميسيليوم، يعالجها، ويحدد الطفرات الإيقاعية (تغيرات مفاجئة في الجهد). ثم يحول هذه المعلومات إلى إشارات تحكم رقمية ويرسلها إلى محركات الروبوت (الأجهزة التي تولد الحركة). ينتج عن ذلك نظام تحكم فريد حيث تنعكس “مشاعر” الميسيليوم مباشرة في “أفعال” الروبوت.
نتائج التجارب
قام فريق البحث بإنشاء نوعين من الروبوتات الهجينة الحيوية:
- روبوت ناعم على شكل عنكبوت
- روبوت ذو عجلات
تم إجراء ثلاث تجارب باستخدام هذه الروبوتات:
- تجربة حيث كانت الروبوتات تسير أو تتحرك استجابة لطفرات متواصلة طبيعية في إشارات الميسيليوم
- تجربة تراقب ردود فعل الروبوتات على تحفيز الضوء فوق البنفسجي (غيرت الروبوتات أنماط مشيها)
- تجربة تتجاوز تمامًا الإشارات الأصلية للميسيليوم
أظهرت هذه التجارب أن الروبوتات الهجينة الحيوية التي تستخدم الميسيليوم يمكنها التفاعل مع بيئتها والتحكم. بعبارة أخرى، يعمل الميسيليوم الفطري كـ “دماغ” الروبوت، مما يسمح له بتغيير حركاته استجابة للمحفزات البيئية.
أهمية البحث وآفاق المستقبل
هذا البحث لديه القدرة على إحداث تأثيرات واسعة النطاق تتجاوز مجالات الروبوتات وعلم الفطريات. يوضح ميشرا، “هذا المشروع لا يتعلق فقط بالتحكم في الروبوت. إنه أيضًا بشأن إنشاء ارتباط حقيقي مع نظام حي.”
يذكر البروفيسور شيبرد احتمالات مستقبلية في مجال الزراعة: “قد تتمكن الروبوتات المستقبلية من استشعار كيمياء التربة في صفوف المحاصيل واتخاذ قرار بشأن وقت إضافة المزيد من السماد. قد يساهم ذلك في التخفيف من التأثيرات اللاحقة للزراعة، مثل تكوين الطحالب الضارة.”
على سبيل المثال، إذا تمكنت هذه “الروبوتات الفطرية” من القيام بدوريات في الحقول ومراقبة ظروف التربة في الوقت الفعلي، فقد يمكن منع الاستخدام المفرط للمبيدات والأسمدة، مما يتيح زراعة أكثر صديقة للبيئة.
علاوة على ذلك، تمتد تطبيقات هذه التكنولوجيا إلى ما هو أبعد من الزراعة. على سبيل المثال:
- مراقبة بيئية: باستخدام القدرات الحسية الحساسة للميسيليوم، يمكن تطوير روبوتات لرصد تلوث الهواء والماء.
- إنقاذ الكوارث: بالاستفادة من قدرتها على العمل في بيئات قاسية، يمكن تطبيق هذه الروبوتات في عمليات الإنقاذ في مواقع الزلازل أو الحرائق.
- المجال الطبي: قد يؤدي القدرة على استشعار التغييرات البيئية الدقيقة إلى تطوير ميكرو روبوتات تعمل داخل الجسم.
- استكشاف الفضاء: يمكن استخدام قدرتها على البقاء في البيئات الشديدة في بعثات استكشاف كواكب أخرى.
لا تقتصر ابتكارات هذه التكنولوجيا على خلق أنواع جديدة من الروبوتات فحسب، بل هي لديها أيضًا إمكانية إحداث تغييرات كبيرة في كيفية تفاعلنا مع المجتمع والبيئة. على سبيل المثال، قد يساهم الرصد الدقيق للبيئة في استراتيجيات معالجة تغير المناخ وحماية النظم البيئية. قد تؤدي التطبيقات الطبية إلى تطوير أساليب علاجية أقل إيلامًا وأكثر فعالية.
فريق البحث وبنية التعاون
أُنجز هذا البحث المبتكر بفضل تعاون خبراء من مجالات متعددة:
- بروس جونسون: باحث أول في علم الأعصاب والسلوك. قدم التوجيه حول كيفية تسجيل الإشارات الكهربائية التي تُنقل عبر قنوات أيونية شبيهة بالنيورونات في أغشية الميسيليوم.
- كاثي هودج: أستاذ مساعد في علم الأمراض النباتية وعلم الأحياء الميكروبي للنبات. وجهت حول كيفية زراعة ثقافات ميسيليوم نظيفة. يعد الحفاظ على نقاء الميسيليوم ضروريًا للحصول على إشارات كهربائية دقيقة.
- جازيوك كيم: جامعة فلورنسا، إيطاليا.
- هناء بغدادي: مساعد بحث جامعي.
مكن تعاون هؤلاء الخبراء من إجراء بحث فعلاً متعدد التخصصات، حيث فُسرت مجالات مثل الهندسة الميكانيكية والإلكترونيات وعلم الفطريات وعلم الأعصاب ومعالجة الإشارات.
الخاتمة
تطوير الروبوتات الهجينة الحيوية باستخدام ميسيليوم الفطر هو إنجاز مبتكر ناتج عن دمج البيولوجيا والهندسة. يفتح هذا البحث طرقًا جديدة لتطوير الروبوتات التي يمكنها التكيف بشكل أفضل مع بيئتها ويُظهر إمكانية إنشاء ارتباط حقيقي بين الأنظمة البيولوجية والآلات.
مع تطور هذه التقنية بشكل أكبر، من المتوقع أن تكون لها تطبيقات في مجالات متنوعة مثل الزراعة، المراقبة البيئية، الإنقاذ في الكوارث، الطب واستكشاف الفضاء. لديها الإمكانيات لقيادة تطوير تقنيات أكثر كفاءة وصديقة للبيئة من خلال استغلال حكمة الطبيعة.
يشير انصهار عالم الفطر والتكنولوجيا الروبوتية المتقدمة إلى علاقة جديدة بين الطبيعة والتكنولوجيا. يُبرِز هذا البحث أهمية نهج البيولوجيا في تطوير الروبوتات المستقبلية ويُظهر بوضوح كيف يمكن أن تؤدي التعاونات المتعددة التخصصات إلى نتائج مبتكرة.
قد يأتي اليوم الذي يصبح فيه “الفطر” المألوف لنا مفتاحًا لإنشاء تكنولوجيا متقدمة. نحن بحاجة لمتابعة الابتكارات التكنولوجية المستقبلية التي تجمع بين حكمة الطبيعة والذكاء الاصطناعي. التحولات التي قد تجلبها هذه التكنولوجيا للمجتمع، بدءاً من حماية البيئة إلى التقدم في الطب وتطورات جديدة في استكشاف الفضاء، لديها الإمكانية الكبيرة للتأثير على حياتنا ومستقبل كوكبنا. يمثل البحث في الروبوتات الهجينة الحيوية شكلاً جديدًا من العلم في القرن الحادي والعشرين يهدف إلى التعايش بين الطبيعة والتكنولوجيا.
