فهرست مطالب
پژوهشگران دانشگاه فودان چین با ساخت غشایی فوق‌نازک برای کف پای ربات‌های کوچک، فناوری جدیدی توسعه داده‌اند که امکان تولید برق هنگام حرکت روی سطوح فلزی و سیلیکونی را فراهم می‌کند.
به گزارش سرویس رباتیک تکناک، این فناوری می‌تواند یکی از مهم‌ترین چالش‌های توسعه میکروربات‌ها، یعنی تأمین انرژی را برطرف کند. پژوهشگران با استفاده از یک غشای پلیمری به ضخامت تنها ۱۳۵ میکرومتر موفق شده‌اند سطح زیر پای ربات را به منبع تولید برق تبدیل کنند. این روش وابستگی ربات‌های کوچک به باتری‌های سنگین را کاهش می‌دهد و امکان فعالیت طولانی‌مدت آنها را فراهم می‌کند.
میکروربات‌ها به دلیل ابعاد کوچک خود می‌توانند در محیط‌هایی فعالیت کنند که دسترسی انسان یا ربات‌های بزرگ به آنها دشوار است. این ربات‌ها می‌توانند از میان آوار ساختمان‌های تخریب‌شده عبور کنند و در عملیات جست‌وجوی بازماندگان زلزله به کار گرفته شوند. بررسی شکاف‌های باریک راکتورهای هسته‌ای و تجهیزات صنعتی نیز از دیگر کاربردهای احتمالی آنها محسوب می‌شود.
با وجود این قابلیت‌ها، تأمین انرژی همچنان مانع بزرگی برای توسعه میکروربات‌های مستقل است. باتری‌های تجاری معمولی وزن و حجم زیادی دارند و استفاده از آنها در ربات‌های بسیار کوچک دشوار است. برای مثال، یک ربات ۱٫۷ گرمی با باتری متعارف تنها حدود دو دقیقه فعالیت می‌کند. افزایش زمان فعالیت این ربات مستلزم استفاده از باتری است که حدود ۹۴ درصد وزن کل دستگاه را تشکیل دهد.
پژوهشگران دانشگاه فودان برای حل این مشکل، روش متفاوتی را انتخاب کرده‌اند. آنها به‌جای افزایش ظرفیت باتری، امکان تولید مستقیم انرژی از سطحی را فراهم کرده‌اند که ربات روی آن حرکت می‌کند.
بیشتر بخوانید: این ربات شناگر با تابش نور هدایت می شود + ویدیو
تولید برق از طریق تماس پای ربات‌ها با سطوح فلزی
فناوری جدید از یک غشای نرم الکتروشیمیایی استفاده می‌کند که مستقیما به کف پای ربات متصل می‌شود. این غشا هنگام تماس با سطوح سازگار مانند آلومینیوم، روی یا سیلیکون، واکنش شیمیایی ایجاد و انرژی الکتریکی تولید می‌کند.
ضخامت غشای پلیمری تنها ۱۳۵ میکرومتر، معادل ۰٫۰۰۵۳ اینچ است. این مقدار تقریبا با قطر یک تار موی انسان برابری می‌کند. پژوهشگران این لایه ژلی را از طریق یک فرایند شیمیایی مستقیما روی سطح پای ربات ایجاد کرده‌اند.
هنگامی که پای ربات با سطح فلزی تماس پیدا می‌کند، مجموعه غشا و سطح زیر آن مانند یک باتری در هوای آزاد عمل می‌کند. در این فرایند، فلز الکترون آزاد می‌کند و غشای پلیمری از اکسیژن و رطوبت موجود در هوا برای تکمیل واکنش الکتروشیمیایی استفاده می‌کند.
جریان برق بلافاصله پس از تماس پا با سطح برقرار و با جدا شدن پا قطع می‌شود. به این ترتیب، هر قدم ربات فرصتی برای تولید انرژی الکتریکی فراهم می‌کند.
این ویژگی تفاوت مهمی با سیستم‌های متداول تأمین انرژی ربات‌ها دارد. در روش‌های رایج، ربات باید انرژی موردنیاز خود را از قبل در باتری ذخیره کند. فناوری جدید امکان تولید مستقیم برق هنگام حرکت را فراهم می‌کند و نیاز به ذخیره‌سازی حجم زیادی از انرژی را کاهش می‌دهد.
پژوهشگران معتقد هستند که این روش می‌تواند راهکاری مناسب برای ربات‌هایی باشد که به دلیل محدودیت وزن و ابعاد، امکان حمل باتری‌های بزرگ را ندارند.
بیشتر بخوانید: سنگاپور ربات‌های انسان‌نما را به مأموریت‌های پرخطر می فرستد
یک میلیون قدم با مصرف تنها دو گرم آلومینیوم
پژوهشگران برای بررسی عملکرد فناوری جدید، یک ربات خزنده با استفاده از چاپ سه‌بعدی ساختند. طول و عرض این ربات به‌ترتیب ۶٫۷ و ۵٫۷ سانتی‌متر بود.
این ربات در آزمایش‌های آزمایشگاهی توانست طی ۱۵۰ روز به صورت متناوب حرکت کند و بیش از ۱۰ هزار قدم بردارد. پژوهشگران در طول این آزمایش افت ولتاژ مشاهده نکردند و عملکرد سیستم تولید انرژی پایدار باقی ماند.
آزمایش‌های بعدی نتایج قابل توجه‌تری به همراه داشت. ربات موفق شد از مرز یک میلیون قدم عبور کند و برای این میزان حرکت تنها حدود دو گرم آلومینیوم مصرف کرد.
این نتیجه نشان می‌دهد که فناوری جدید می‌تواند با مصرف مقدار کمی از ماده فلزی، انرژی مورد نیاز حرکت طولانی‌مدت ربات را فراهم کند.
غشای ژلی علاوه بر تولید برق، خاصیت چسبندگی نیز دارد. این ویژگی به ربات کمک کرد تا از صفحات فلزی شیب‌دار بالا برود و حرکت خود را روی سطوح غیرهموار ادامه دهد.
همچنین پژوهشگران مقاومت حرارتی غشا را بررسی کردند. نتایج نشان داد که این لایه می‌تواند در دماهای منفی ۲۰ تا مثبت ۸۰ درجه سانتی‌گراد عملکرد خود را حفظ کند.
در آزمایش دیگری، برق تولیدشده از طریق غشای الکتروشیمیایی برای تأمین انرژی یک چراغ LED و فرستنده بلوتوث نصب‌شده روی ربات استفاده شد.
این آزمایش نشان داد که فناوری جدید علاوه بر تأمین انرژی حرکت، قابلیت روشن نگه داشتن تجهیزات الکترونیکی کوچک را نیز دارد. چنین قابلیتی برای ربات‌های اکتشافی اهمیت زیادی دارد، زیرا این دستگاه‌ها باید اطلاعات محیطی را جمع‌آوری کنند و برای سیستم‌های دیگر بفرستند.
با وجود موفقیت آزمایش‌ها، فناوری جدید هنوز محدودیت‌هایی دارد. مهم‌ترین مشکل آن وابستگی به نوع سطحی است که ربات روی آن حرکت می‌کند.
غشای الکتروشیمیایی نمی‌تواند از سطوح غیرفعال شیمیایی مانند پلاستیک، شیشه، خاک یا بافت‌های آلی انرژی استخراج کند. بنابراین، ربات هنگام عبور از این سطوح با قطع تولید برق روبه‌رو می‌شود.
پژوهشگران برای کاهش این مشکل، یک ابرخازن کوچک به ربات اضافه کرده‌اند. این قطعه انرژی را برای مدت کوتاهی ذخیره می‌نماید و هنگام عبور از سطوح نامناسب، برق مورد نیاز ربات را تأمین می‌کند.
محدودیت دیگر به دوام الکترولیت داخلی مربوط می‌شود. تماس مداوم با دی‌اکسیدکربن هوا و فرایند خوردگی به‌تدریج باعث تخریب مواد داخلی غشا می‌شود. پژوهشگران در شرایط فعلی باید هیدروکسید پتاسیم را به صورت دستی دوباره به سیستم اضافه کنند.
بیشتر بخوانید: اولین ربات انسان‌نمای متن‌باز فول‌استک معرفی شد
آینده ربات‌های کوچک با پوست مصنوعی تولیدکننده انرژی
دستاورد دانشگاه فودان با تولید برق از کف پای ربات‌ها، بخشی از تلاش گسترده پژوهشگران برای توسعه پوست‌های مصنوعی چندمنظوره در صنعت رباتیک محسوب می‌شود.
در سال‌های اخیر، گروه‌های تحقیقاتی مختلف تلاش کرده‌اند پوشش خارجی ربات‌ها را به بخشی فعال از سیستم عملکرد آنها تبدیل کنند. این پوشش‌ها می‌توانند قابلیت‌هایی مانند تشخیص تماس، شناسایی دما و ترمیم آسیب‌های فیزیکی داشته باشند.
پژوهشگران دانشگاه استنفورد پوست مصنوعی چندلایه‌ای توسعه داده‌اند که پس از بریده شدن می‌تواند به صورت خودکار ترمیم شود. پژوهشگران دانشگاه کمبریج و کالج دانشگاهی لندن نیز هیدروژل‌های انعطاف‌پذیری ساخته‌اند که توانایی تشخیص درد را دارند.
در حوزه ربات‌های انسان‌نما، شرکت Generative Bionics ربات Gene.01 را معرفی کرده است. پوست هوشمند این ربات امکان تشخیص تماس و نزدیکی منابع گرمایی را فراهم می‌کند و به افزایش ایمنی تعامل آن با انسان‌ها کمک می‌کند.
پژوهشگران دانشگاه توکیو نیز موفق شده‌اند پوست زنده انسان را روی انگشتان رباتیکی پرورش دهند. این پوست می‌تواند به صورت طبیعی چین بخورد و آسیب‌های خود را با کمک کلاژن ترمیم کند.
فناوری دانشگاه فودان کاربرد متفاوتی برای پوست مصنوعی ارائه می‌دهد. در این روش، پوشش ربات علاوه بر ایفای نقش ساختاری به منبع تولید انرژی تبدیل می‌شود.
با وجود این، استفاده گسترده از این فناوری به رفع مشکلات موجود وابسته است. پژوهشگران باید راهکاری برای تأمین خودکار الکترولیت پیدا کنند و محدودیت تولید برق روی سطوح غیرفعال را کاهش دهند.
در صورت رفع این چالش‌ها، ربات‌های کوچک می‌توانند بدون نیاز به باتری‌های سنگین یا اتصال دائمی به منبع برق، در محیط‌های صنعتی فعالیت کنند.
این ربات‌ها ممکن است در آینده وارد کانال‌های تهویه، پست‌های برق و راکتورهای هسته‌ای شوند و اطلاعات مهمی درباره وضعیت تجهیزات جمع‌آوری کنند.
نتایج این پژوهش در مجله علمی National Science Review منتشر شده است.
