گوناگون

انقلاب در مقیاس میکرو: ربات‌هایی کوچک‌تر از نمک که خودشان فکر می‌کنند

انقلابی تازه در دنیای رباتیک رقم خورده است؛ جایی که ربات‌هایی کوچک‌تر از دانه نمک، با مغز، حسگر و موتور مستقل، می‌توانند در مایعات شنا کنند، تصمیم بگیرند و ماه‌ها بدون توقف کار کنند. این دستاورد تاریخی، نخستین نسل از ربات‌های واقعاً خودمختار در مقیاس میکروسکوپی را معرفی می‌کند و دریچه‌ای به آینده پزشکی، فناوری و تولیدات پیشرفته می‌گشاید.

به گزارش پارسینه به نقل از science daily،پژوهشگران ربات‌هایی میکروسکوپی ساخته‌اند که آن‌قدر کوچک‌اند که تقریباً با چشم دیده نمی‌شوند، اما آن‌قدر هوشمند هستند که بتوانند محیط را حس کنند، تصمیم بگیرند و کاملاً مستقل حرکت کنند. این ربات‌ها با نور کار می‌کنند و به رایانه‌های بسیار کوچک مجهز شده‌اند. آن‌ها به‌جای استفاده از قطعات متحرک، با دستکاری میدان‌های الکتریکی در مایع شنا می‌کنند. این ربات‌ها قادرند تغییرات دما را تشخیص دهند، مسیرهای برنامه‌ریزی‌شده را دنبال کنند و حتی به‌صورت گروهی همکاری کنند. این دستاورد، نخستین نمونه از ربات‌های واقعاً خودمختار در این مقیاس میکروسکوپی است.

یک میکروربات، مجهز به حسگر و رایانه، آن‌قدر کوچک که روی شیار اثر انگشت قرار می‌گیرد. (عکس: مارک میسکین، دانشگاه پنسیلوانیا – تصویر کوچک: یک میکروربات روی یک سکه پنی آمریکا، برای نمایش مقیاس. عکس: مایکل سیماری، دانشگاه میشیگان)

پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا و دانشگاه میشیگان کوچک‌ترین ربات‌های خودمختار و کاملاً برنامه‌پذیر جهان را ساخته‌اند. این ماشین‌های میکروسکوپی می‌توانند در مایع شنا کنند، محیط خود را حس کنند، به‌طور مستقل واکنش نشان دهند، ماه‌ها کار کنند و هزینه ساخت هرکدام تنها حدود یک پنی است.

هر ربات بدون بزرگ‌نمایی تقریباً دیده نمی‌شود و ابعادی حدود ۲۰۰ در ۳۰۰ در ۵۰ میکرومتر دارد—کوچک‌تر از یک دانه نمک. چون این ربات‌ها در همان مقیاس بسیاری از میکروارگانیسم‌های زنده عمل می‌کنند، ممکن است روزی پزشکان از آن‌ها برای پایش سلول‌های منفرد یا مهندسان برای ساخت دستگاه‌های بسیار کوچک در تولیدات پیشرفته استفاده کنند.

این ربات‌ها کاملاً با نور کار می‌کنند و رایانه‌های میکروسکوپی درون آن‌ها امکان دنبال‌کردن مسیرهای برنامه‌ریزی‌شده، تشخیص دمای محیط و تنظیم حرکت را فراهم می‌کند.

این پژوهش در مجلات Science Robotics و PNAS منتشر شده است. برخلاف نمونه‌های قبلی، این ربات‌ها به سیم، میدان مغناطیسی یا کنترل خارجی وابسته نیستند. همین ویژگی آن‌ها را به نخستین ربات‌های واقعاً خودمختار و برنامه‌پذیر در این مقیاس تبدیل می‌کند.

مارک میسکین، استادیار مهندسی برق و سیستم‌ها در دانشگاه پنسیلوانیا، می‌گوید: «ما ربات‌های خودمختاری ساخته‌ایم که ۱۰ هزار برابر کوچک‌تر از نمونه‌های قبلی‌اند. این یک مقیاس کاملاً جدید برای ربات‌های برنامه‌پذیر است.»

چرا کوچک‌کردن ربات‌ها این‌قدر دشوار بوده است؟

الکترونیک طی دهه‌ها کوچک‌تر شده، اما رباتیک چنین روندی را تجربه نکرده است. میسکین می‌گوید استقلال ربات‌ها در اندازه‌های کمتر از یک میلی‌متر، چالشی حل‌نشده باقی مانده بود.

او توضیح می‌دهد: «در این مقیاس، نیروهای سطحی مثل چسبندگی و گرانروی بر حرکت غلبه می‌کنند. اگر خیلی کوچک باشید، فشار دادن آب مثل فشار دادن قیر است.»

به همین دلیل، طراحی‌های معمول رباتیک در این مقیاس شکست می‌خورند. پاها و بازوهای کوچک به‌راحتی می‌شکنند و ساختشان بسیار دشوار است.

برای حل این مشکل، پژوهشگران روش کاملاً جدیدی برای حرکت ربات‌ها ابداع کردند که با فیزیک دنیای میکروسکوپی سازگار است.

ربات‌های میکروسکوپی چگونه شنا می‌کنند؟

در حالی که ماهی‌ها با فشار دادن آب به عقب حرکت می‌کنند، این ربات‌ها روش متفاوتی دارند:

- آن‌ها میدان الکتریکی ایجاد می‌کنند.

- این میدان یون‌های موجود در مایع را حرکت می‌دهد.

- یون‌ها نیز مولکول‌های آب را با خود می‌کشند.

- در نتیجه، ربات درون «جریانی» حرکت می‌کند که خودش ایجاد کرده است.

با تنظیم میدان الکتریکی، ربات‌ها می‌توانند جهت خود را تغییر دهند، مسیرهای پیچیده را دنبال کنند و حتی مانند یک «گله ماهی» به‌صورت گروهی هماهنگ شوند. سرعت آن‌ها می‌تواند به اندازه طول بدنشان در هر ثانیه برسد.

چون این روش هیچ قطعه متحرکی ندارد، ربات‌ها بسیار بادوام‌اند و می‌توانند ماه‌ها با نور LED کار کنند.

جای‌دادن هوش در بدنی میکروسکوپی

برای خودمختاری واقعی، ربات باید بتواند:

- محیط را حس کند

- تصمیم بگیرد

- انرژی خود را تأمین کند

و همه این‌ها باید روی تراشه‌ای کوچک‌تر از یک میلی‌متر جا شود.

تیم دیوید بلاوو در دانشگاه میشیگان این چالش را بر عهده گرفت. آن‌ها قبلاً رکورد کوچک‌ترین رایانه جهان را داشتند. همکاری بلاوو و میسکین پنج سال طول کشید تا به یک ربات واقعی تبدیل شود.

بزرگ‌ترین چالش، انرژی بود:

پنل‌های خورشیدی ربات تنها ۷۵ نانووات تولید می‌کنند—بیش از ۱۰۰ هزار برابر کمتر از یک ساعت هوشمند.

بنابراین، تیم مجبور شد مدارهایی فوق‌کم‌مصرف طراحی کند.

چالش دیگر، کمبود فضا بود. پنل‌های خورشیدی تقریباً تمام سطح ربات را می‌پوشانند. برای حل این مشکل، نرم‌افزار ربات کاملاً بازطراحی شد تا دستورهای پیچیده در قالب یک دستور فشرده شود.

ربات‌هایی که حس می‌کنند و ارتباط برقرار می‌کنند

این ربات‌ها نخستین نمونه‌های زیر یک میلی‌متر هستند که می‌توانند تصمیم‌گیری واقعی انجام دهند. آن‌ها مجهز به:

- پردازنده

- حافظه

- حسگرهای دما

هستند و می‌توانند تغییرات دما به اندازه یک‌سوم درجه را تشخیص دهند. این قابلیت برای پایش سلول‌ها بسیار ارزشمند است.

برای گزارش داده‌ها، ربات‌ها از یک «رقص کوچک» استفاده می‌کنند. الگوی حرکت آن‌ها اطلاعات را رمزگذاری می‌کند و پژوهشگران با دوربین آن را رمزگشایی می‌کنند—مشابه رقص زنبورهای عسل.

هر ربات آدرس مخصوص خود را دارد و می‌توان دستورهای متفاوتی به هرکدام ارسال کرد.

سکوی ساخت نسل آینده ربات‌های میکروسکوپی