إنه يحمل الإنسالة بكاملها بين يديه: أحد المؤلفين (كرابووسكي) يحمل ملي إنسالة. إن هذا التصميم بالذات هو أصغر ما استطاع المصممون صنعه من مكونات متوافرة في الأسواق.

هناك بضع منصات إنسالية صغيرة أصبحت متوافرة تجاريًا
خلال السنوات القليلة الماضية. فقد غدت خپرا khepera
ـ وهي إنسالة بحجم قرص الهوكي المطاطي تم تطويرها في سويسرا ـ شائعة في أوساط
الباحثين المهتمين بالتحكم المبني على السلوك. كما أن بعض الهواة يجرون التجارب
على هذه التقانة. والشركة Living
Machines في لومپوك بكاليفورنيا تنتج إنسالة
صغيرة قابلة للبرمجة تُعرف بإنسالة الجيب. وبشكل موازٍ، تُمكِّن الشركة
Lego Mindstorms ـ
وهي فرع للشركة الشهيرة Lego التي تصنع مكعبات
الألعاب ـ جمهور العامة من تركيب إنسالات بسيطة وتشغيلها. إن الإنسالات
التجارية تستخدم حاليًا في المشروعات العلمية وفي المسابقات المدرسية. لكن
الاستشعار والتحكم في هذه التصاميم التجارية مازالا بدائيين جدا، وهي تفتقر إلى
الكفاءة لإنجاز المهام المعقدة.



نقص الطاقة^(***)

لقد كان التركيز في جامعة كارنيگي ميلون، على
المرونة. وقد أنشأنا فريقا مؤلفا من نحو 12 إنسالة صغيرة «ملي إنسالة»
millibot، أطوال جوانب كل منها نحو خمسة
سنتيمترات. إن هذا هو الحجم الذي ما زلنا نستطيع من أجله استعمال مكونات
متوافرة في الأسواق للاستشعار والمعالجة، مع أنه كان علينا وضع التصميم الخاص
بنا لبطاقات الدارات والمتحكمات. تتكون كل من هذه الإنسالات من ثلاثة أجزاء
رئيسية: واحد للحركة وواحد للتحكم وواحد للاستشعار. يوضع جزء التحكم في الأسفل،
حيث يسيِّر محركاه عجلات مصنوعة من حلقات دائرية. إن النموذج الحالي يستطيع
التحرك على أرض المكتب وعلى السجاد بسرعة قصوى تبلغ نحو 20 سنتيمترًا في
الثانية، أو نحو سُدس سرعة المشي العادي للإنسان، وعندما نطور منصات حركة
جديدة، يمكننا إدخالها في مكانها في الإنسالة دون الحاجة إلى إعادة تصميم سائر
أجزائها.



نظرة إجمالية/الملي إنسالات^(****)




أما الجزء الأوسط، فيوفر المعالجة والتحكم، يحوي
التصميم الحالي معالجًا ميكرويًا ذا 8 بتات مماثلاً للمعالجات التي استُخدمت في
الحواسيب الشخصية في بدايات ثمانينات القرن العشرين. وعلى الرغم من أن هذه
المعالجات لا تقارن بالحواسيب الحديثة، فإنها لا تزال تستطيع تأدية التحكم في
الإنسالة في الزمن الحقيقي. أما جزء الاستشعار الذي يوضع في الأعلى، فيتضمن
محسات صوتية وأخرى تحت الحمراء لقياس مسافات العوائق المجاورة، ومحس أشعة تحت
حمراء مشابه للمحسات المستخدمة في كشف الحركة وذلك من أجل كشف الأجسام الساخنة،
وآلات تصوير ڤيديو من أجل المراقبة، ومودم لاسلكي للاتصال مع الإنسالات الأخرى
أو مع القاعدة المركزية.



الملي إنسالات تجد طريقها
في العالم^(*****)




قد تكون الطاقة هي القيد الأشد تأثيرا بالنسبة إلى
هذه الإنسالات وسواها من الإنسالات الصغيرة. فالبطاريات (المدخرات) كبيرة
وثقيلة، ولا يمكن تصغير حجمها على نحو مفيد: فبتصغير الحجم تصل البطارية إلى
عتبة لا تستطيع بعدها توفير طاقة تكفي لتحريك وزنها. إن البطاريتين القابلتين
للشحن اللتين تستخدمان في الهاتف الخلوي نوع NiMH
تحتلان في إنسالتنا الصغيرة نحو ثلث الفراغ المتاح. وهما توفران طاقة لصفيف
محدود من المحسات فقط ولزمن تشغيل يراوح بين 30 و 90 دقيقة تبعًا لتعقيد
المهمة. أما البطاريات الكبيرة، فيمكنها زيادة زمن التشغيل، لكن ذلك على حساب
استبعاد مكونات أخرى. إن تصميم الإنسالات الصغيرة برمته عملية تسوية. فالسرعة
والديمومة والوظيفة تتنافس مع الوزن والحجم وتوافر المكونات.



سلسلة الملي إنسالة^(******)




من أجل التعامل مع هذه القيود، تبنينا منهجيتين في
تصميم إنسالاتنا الصغيرة: التخصص والتعاون. يعني التخصص تزويد الإنسالة
باستشعار ومعالجة كافيتين لوظيفة محددة، الأمر الذي يسمح لها باستخدام أمثلي
للحيز والطاقة المتاحين. ففي مهمة نمطية، تكون مسؤولية بعض الإنسالات وضع
مخططات لما يحيط بها، وتوفر الإنسالات الأخرى معلومات حية ترسلها إلى المشغل
البشري أو تحمل محسات تخص تلك المهمة. ومن أجل تنفيذ المهمة، على الإنسالات أن
تتعاون معًا.



أين نحن؟^(*******)

إحدى المهام الحيوية التي تتطلب التعاون هي تحديد
الموقع، أي حساب موقع عناصر الفريق. تتمتع الإنسالات الأكبر بامتلاك تقنيات
عديدة لمعرفة موقعها من مثل مستقبِلات منظومة الملاحة الفضائية
GPS والمنارات الثابتة وتعرُّف المعالم بصريًا.
إضافة إلى ذلك، فإن لديها قدرة المعالجة اللازمة لمطابقة المعلومات التي
تُحصِّلها المحسات مع المخططات الموجودة.



ليس بين هذه التقنيات ما يعمل بشكل موثوق به في
الإنسالات القزمة. فمدى التحسس فيها محدود؛ إن المحس الصوتي في الملي إنسالة
يستطيع قياس مسافات على بعد مترين بحد أقصى، وهذه الإنسالات أصغر من أن تحمل
وحدات استقبال ملاحة فضائية. أما الحساب الساكن dead
reckoning - وهو تقنية متابعة الموقع بقياس سرعة
العجلة - فسيفشل بسبب خفة وزن الملي إنسالة. إن شيئا بتفاهة اتجاه حبكة نسيج
سجادة يستطيع التأثير في حركة تلك الإنسالات بشكل كبير، الأمر الذي يجعل قراءة
مقياس سرعة العجلة غير دقيقة، على النحو الذي يفشل فيه مقياس سرعة السيارة
بإعطاء قراءات دقيقة إذا سارت على بحيرة مغطاة بالجليد.



لذلك كان علينا استحداث تقنية جديدة. إن ما طورناه
هو نسخة مصغرة من نظم الـ GPS. فبدلا من الأقمار
الصنعية، تستخدم هذه التقنية موجات صوتية لقياس المسافات بين إنسالات المجموعة.
فكل إنسالة مزودة بمرسل موجات فوق صوتية إضافة إلى مودم لاسلكي. ومن أجل تحديد
المسافة، تُطلق الملي إنسالة في الوقت نفسه نبضة كهرمغنطيسية وإشارة فوق صوتية
تنتشران في جميع الاتجاهات. وتستمع الإنسالات الأخرى لهاتين الإشارتين. إن
الإشارة الكهرمغنطيسية وهي تنتشر بسرعة الضوء، تصل آنيا تقريبا. أما الإشارة
الصوتية التي تتحرك بسرعة 340 مترا في الثانية، فتصل بعد بضع ملي ثوان، تبعا
للمسافة الفاصلة بين الإنسالة المرسلة للإشارة والإنسالة المستقبلة لها. وتعكس
قطعة معدنية لها شكل المخروط مثبتة في محس الإنسالة المستقبلة الإشارة فوق
الصوتية إلى محس فوق صوتي، وهذا يسمح للإنسالة بكشف جميع الاتجاهات. إن العملية
مماثلة لقياس بُعد عاصفة مقتربة من خلال قياس المدة الفاصلة بين ضوء البرق وصوت
الرعد.



بتبادل أدوار الإرسال والاستماع، تحسب الإنسالات
المسافات بينها، وتستغرق كل عملية قياس نحو 30 ملي ثانية. ويجمع قائد الفريق -
وهو إما القاعدة المركزية وإما الإنسالة الأم التي نشرت الملي إنسالات جميع
المعلومات، وتحسب مواقع الإنسالات بوساطة التثليث باستخدام الأضلاع
trilateration. يشبه التثليث باستخدام الأضلاع
تقنية التثليث باستخدام الزوايا triangulation
الأكثر شهرة باستثناء أنها تعتمد على المسافات عوضا عن الاتجاهات لتحديد
الموقع. في المستوي (الثنائي الأبعاد)، يشير كل تقدير للمدى إلى أن إنسالة أخرى
تقع ضمن دائرة تحيط بالإنسالة المرسلة. إن تقاطع دائرتين أو أكثر يحدد الموقع
المحتمل للإنسالات الأخرى (انظر الإطار في الصفحة 31). إن الخوارزمية تجد ترتيب
الإنسالات الأفضل تطابقًا مع تقاطعات الدوائر وقياسات المدى جميعًا.



أحد الأمور التي تعقِّد الإجرائية هو أن أكثر من
ترتيب واحد للإنسالات يمكن أن يتطابق مع المعلومات. أمر آخر هو أن قياسات المدى
عرضة للخطأ والارتياب. فالإشارات فوق الصوتية تنعكس عن الأرض والجدران مؤدية
إلى وجود التباس في قراءات المسافة. في الحقيقة، وتبعا للوضع الهندسي، يمكن
للتداخل الموجي أن يؤدي إلى اختفاء الإشارة برمتها. ولهذا السبب، طورنا
خوارزمية تجمع بين قياس المدى بالإشارة فوق الصوتية والحساب الساكن الذي يوفر
على الرغم من مشكلاته معلومات إضافية كافية لإزالة الالتباسات. إن الخوارزمية
تقوم بتقدير خطأ القياس وتحسب مجموعة مواقع الإنسالات التي تجعل الخطأ الكلي
أصغريا.



إن ميزة طريقة تحديد الموقع هذه هي أن الملي إنسالات
لا تحتاج إلى نقاط مرجعية ثابتة من أجل الملاحة. فهي تستطيع الدخول إلى حيز غير
مألوف وتقوم بمسحه بمفردها. أثناء وضع المخطط، تعمل بضع ملي إنسالات مختارة
كمنارات، حيث تبقى ثابتة، وتتحرك الأخريات لوضع المخطط، متفادية العوائق أثناء
قياسها مواقعها نسبة إلى المنارات. وعندما ينجز الفريق تحري المنطقة المحيطة
بالمنارات، تتبادل الإنسالات أدوارها، حيث تجعل الإنسالات التي كانت تقوم
بالتحري من نفسها منارات لتقوم الأخريات بالتحري. تشبه هذه التقنية لعبة
الأطفال الضفدع الوثاب، ويمكن تنفيذها دون تدخل من البشر.



سلسلة أوامر^(********)

تعطي العوائق سببا آخر للإنسالات الصغيرة من أجل أن
تتعاون. فحجم الإنسالة الصغيرة يجعلها حساسة لعدم الانتظام العشوائي الذي يسود
حولنا، إذ عليها أن تتعامل مع الحصى والقاذورات والأوراق المتجعدة. تمتلك الملي
إنسالة العادية خلوصا يساوي نحو 15 مليمترا، ولذلك يمكن لقلم رصاص أو غُصين أن
يوقفها عن مسارها من أجل التغلب على هذه القيود، أتينا بنسخة جديدة من الملي
إنسالات تستطيع الاقتران بها كعربات القطار. إن كلا من هذه الملي إنسالات التي
يبلغ طول الواحدة منها 11 سنتيمترا وعرضها 6 سنتيمترات تشبه دبابة صغيرة من
طراز دبابات الحرب العالمية الأولى. في الحالة الطبيعية، تتجول هذه الإنسالات
بشكل مستقل، وهي ذات براعة تكفي لتخطي العوائق الصغيرة. لكن عندما تحتاج إلى
عبور أخدود أو تسلق مجموعة من الدرجات، تستطيع الارتباط معا لتشكل سلسلة.






إن ما يكسب السلسلة براعتها هي وصلة الربط بين الملي
إنسالات. فخلافا لوصلة الربط في القطار أو وشيجة المقطورة في السيارة، تحوي
وصلات الربط في الملي إنسالات محركا قويا يستطيع تدوير الوصلة نحو الأعلى أو
الأسفل بعزم يكفي لرفع عدة ملي إنسالات. ومن أجل تسلق درج، تندفع السلسلة أولاً
تجاه قاعدته. وتقوم إحدى الملي إنسالات الموجودة قرب مركز السلسلة برفع الجزء
الأمامي منها. وتقوم الإنسالات التي تصل إلى الأعلى بسحب الإنسالات السفلى
(انظر الشكل في الصفحة المقابلة). في الوقت الحالي، يجب التحكم في هذه العملية
من بُعد من قبل شخص، لكن في النهاية، على السلسلة أن تكون قادرة على تسلق الدرج
آليا.



لقد بدأ انتباه المصممين بالتحول من تطوير المكونات
الحاسوبية إلى تطوير نظم تحكم أفضل. وسيتبدل الاهتمام بالتحكم في بضعة أفراد
إلى الاهتمام بإدارة المئات أو الألوف، وهذا تحدٍّ مختلف جوهريا سيتطلب خبرة من
الحقول ذات الصلة كالاقتصاد والتعبوية العسكرية، وحتى من علم السياسة.



وإحدى الطرائق التي نتصورها للتحكم الواسع النطاق
تأتي من الهرمية. فعلى غرار الجيش، تقسم الإنسالات إلى فرق أصغر يتحكم فيها
قائد محلي. وسيكون هذا القائد مسؤولاً أمام سلطة أعلى. إن الملي إنسالات
توَجَّه حاليا من قبل إنسالات كبيرة كالدبابات تستطيع معالجاتها (من طراز
پنتيوم) التعامل مع الحسابات المعقدة الخاصة بوضع المخططات وتحديد المواقع.
ويمكن لهذه الإنسالات الكبيرة أن تقطر سلسلة من الملي إنسالات خلفها كالبطات
الصغيرة وتنشرها عند اللزوم في المنطقة موضع الاهتمام. والإنسالات الكبيرة
نفسها تتصل بإنسالات أكبر في مجموعتنا على شكل عربات ملائمة لجميع التضاريس
وتحتوي على حواسيب متعددة وآلات تصوير ڤيديو وأجهزة GPS،
وهي ذات مدى يصل حتى بضع مئات من الكيلومترات. إن الفكرة هنا هي أن الإنسالات
الأكبر سوف تنشر الإنسالات الأصغر في مناطق لا تستطيع هي نفسها الوصول إليها،
بل تبقى قريبة منها لتقديم الدعم والتوجيه لها.



من المسلَّم به هو أن أمام الإنسالات الصغيرة طريقا
طويلة. فخارج بضعة مختبرات، لا توجد فرق من الإنسالات الصغيرة تتجول في قاعات
المباني باحثة عن المخاطر. وعلى الرغم من أن الإمكانات المحتملة لهذه الإنسالات
تبقى هائلة، فإن مقدراتها الحالية ما زالت في حدود المستجدات على غرار ما كانت
عليه الهواتف النقالة والحواسيب المحمولة قبل عقد من السنين. لكن، ومع رشح
التقانة من التطبيقات العسكرية وغيرها، نتوقع أن تتحسن كفاءة الإنسالات الصغيرة
تحسنا ملحوظا. إنها، وبعملها معا على شكل فرق، تمتلك مخزونا كاملا من المهارات؛
وتصميمها القائم على شكل وحدات وظيفية متخصصة يسمح بتفصيلها لتلبي مهام معينة.
يضاف إلى ذلك أن العمل بها متعة وتسلية لا يقلان أهمية.

---

المؤلفون


R. Grabowski- L .E. Navarro-Serment- P. K. Khosla

بدأ كرابووسكي
وناڤارو -سرمنت وخوسلا بالعمل معا في مشروع ملي إنسالة في صيف 1999. خوسلا هو
رئيس قسم هندسة الكهرباء والحاسوب في جامعة كارنيگي ميلون. جعل لنفسه اسما في
مجال الإنسالات بعد تصميم أول نموذج من أذرع تحكم يسهل السيطرة عليها وتحريكها
والمستخدمة حاليا في معظم المصانع المؤتمتة. أما گرابووسكي وناڤارو-سرمنت فهما
طالبا دراسات عليا. وقد أمضى كرابووسكي ثمانية أعوام في البحرية الأمريكية يعمل
في مفاعلات نووية. لقد كان طوال حياته مولعا بالإلكترونيات ويستمتع باللعب في
المكعبات Lego و تفكيك أجهزة الڤيديو القديمة. أما ناڤارو-سرمنت فهو مهتم في
الأتمتة الصناعية ونظم التحكم. وكان يرأس قسم الهندسة الكهربائية في معهد
للتقانة للدراسات العليا في المكسيك. وهو فلكي مبتدئ.