دانشمندان دانشگاههای پنسیلوانیا و میشیگان موفق شدند کوچکترین ربات خودران و قابل برنامهریزی جهان را طراحی و تولید کنند.
به گزارش سرویس رباتیک تکناک، این رباتها با ابعادی در حد چند صد میکرومتر، قادر هستند محیط اطراف خود را درک کنند، تصمیم بگیرند و بدون نیاز به فرمان خارجی، به صورت مستقل عمل کنند.
اصل خبر به پیشرفت در ساخت رباتهایی بازمیگردد که تنها حدود ۲۰۰ میکرومتر عرض دارند؛ اندازهای که تقریباً دو برابر ضخامت یک تار موی انسان است. پژوهشگران توضیح دادند که این ماشینهای بسیار کوچک، با وجود محدودیت شدید در فضا، انرژی و توان پردازشی، میتوانند اطلاعات محیطی را دریافت کنند، آنها را پردازش نمایند و واکنش نشان دهند. به گفته تیم تحقیقاتی، چنین قابلیتی راه را برای کاربردهایی مانند: پایش سلامت سلولهای منفرد بدن انسان یا رساندن دارو به نقاط بسیار مشخص برای درمان بیماریها هموار میکند.
یکی از مهمترین چالشها در این پروژه، مسئله حرکت در مقیاس میکروسکوپی بود. پژوهشگران اعلام کردند که حرکت یک جسم بسیار کوچک در مایع، بهدلیل نیروهایی مانند مقاومت و ویسکوزیته، بسیار دشوارتر از حرکت اجسام بزرگتر است. در این مقیاس، نیروهایی که برای انسان ناچیز به نظر میرسند، به عامل اصلی محدودکننده تبدیل میشوند. به همین دلیل، حرکت در یک محیط مایع برای کوچکترین ربات خودران، از نظر فیزیکی به شنا کردن انسان در مادهای بسیار غلیظ شباهت دارد.
حتماً بخوانید: این ربات میکروسکوپی خودمختار انرژی خود را از نور تأمین می کند
تیم دانشگاه پنسیلوانیا برای حل این مشکل، یک سامانه رانش جدید طراحی کرد. بر اساس توضیحات پژوهشگران، میکرورباتها با نور LED تغذیه میشوند و در محلولی از پراکسید هیدروژن حرکت میکنند. این محلول نقش سوخت را برای حرکت ربات ایفا میکند. ربات با ایجاد یک میدان الکتریکی، یونهای موجود در محلول را به حرکت درمیآورد و این یونها، مولکولهای آب را با خود جابهجا میکنند. در نتیجه، نیروی لازم برای حرکت ربات تأمین میشود. پژوهشگران تأکید کردند که این میدان الکتریکی قابل تنظیم است و به ربات امکان میدهد الگوهای حرکتی پیچیده را اجرا کند یا حتی به صورت گروهی و هماهنگ حرکت نماید.
طبق اعلام تیم تحقیقاتی، این میکرورباتها میتوانند با سرعتی معادل یک طول بدن در هر ثانیه حرکت کنند؛ رقمی که در مقیاس میکروسکوپی، پیشرفتی قابل توجه محسوب میشود. همچنین امکان حرکت گروهی هماهنگ، چشمانداز استفاده از این رباتها را در مأموریتهای پیچیدهتر تقویت میکند؛ مأموریتهایی که نیازمند همکاری چند واحد مستقل هستند.
بخوانید: حرکت میکروماشین های میکروسکوپی توسط جلبک ها
حرکت خودران، تنها بخش چالشبرانگیز این پروژه نبود. رباتها برای تصمیمگیری مستقل به یک سامانه محاسباتی بسیار کوچک نیاز داشتند. پژوهشگران اعلام کردند که کوچکترین ربات خودران جهان، به کوچکترین رایانه جهان وابسته است. این رایانه که توسط تیمی در دانشگاه میشیگان توسعه یافته، شامل پردازنده، حافظه و حسگرها است و همگی روی تراشهای کوچکتر از یک میلیمتر قرار گرفتهاند. این دستاورد، امکان پردازش داده و کنترل رفتار ربات را در فضایی بسیار محدود فراهم کرده است.
منبع تغذیه این رایانه نیز یکی از محدودیتهای کلیدی پروژه به حساب میآید. رباتها انرژی مورد نیاز خود را از پنلهای خورشیدی میکروسکوپی دریافت میکنند که تنها ۷۵ نانووات توان تولید میکنند. این میزان انرژی، بیش از ۱۰۰ هزار برابر کمتر از توان مصرفی یک ساعت هوشمند است. به همین دلیل، تیم دانشگاه میشیگان مجبور شد مدارهای الکترونیکی را بهگونهای طراحی کند که در ولتاژهای بسیار پایین کار کنند. این اقدام، مصرف انرژی را بیش از هزار برابر کاهش داد و امکان فعالیت پایدار ربات را فراهم کرد.
پیشنهادی: تحول در تصویربرداری پزشکی هستهای با آشکارساز کریستالی جدید
در کنار پیچیدگیهای فنی، هزینه نیز یکی از موضوعات مهم این پروژه بود. پژوهشگران اعلام کردند که هر ربات، در صورت تولید انبوه، حدود یک سنت هزینه دارد. در نگاه اول، ممکن است تصور شود که تجهیزات لازم برای برنامهریزی و کنترل این رباتها بسیار گرانقیمت است. با وجود این، تیم تحقیقاتی نشان داد که میتوان با حدود ۱۰۰ دلار، یک سامانه کامل برای کنترل و مشاهده عملکرد رباتها ساخت. این سامانه شامل دیودهای LED معمولی، یک ریزرایانه رزبریپای و یک سیستم تصویربرداری مبتنی بر دوربین گوشی هوشمند با لنز ماکرو است. پژوهشگران تأکید کردند که عملکرد این مجموعه، با وجود هزینه بسیار کمتر، با یک میکروسکوپ پیشرفته و بسیار گرانقیمت برابری میکند.
کاربردهای بالقوه این فناوری، به حوزه پزشکی محدود نمیشود. کوچکترین ربات خودران به حسگرهای الکترونیکی مجهز است که میتواند دما را با دقتی در حد یکسوم درجه سانتیگراد اندازهگیری کند. این ویژگی، امکان پایش سلامت سلولهای منفرد را فراهم میکند، اما پژوهشگران هشدار دادند که هنوز موانع مهمی برای استفاده مستقیم از این فناوری در بدن انسان وجود دارد.
یکی از این موانع، وابستگی کامل رباتها به نور است. همانطور که سلولهای بدن انسان برای زنده ماندن به انرژی مداوم نیاز دارند، این رباتها نیز بدون نور قادر به کار نیستند. با قطع نور، ربات خاموش و حافظه آن پاک میشود. پس از روشن شدن دوباره نور، ربات راهاندازی میشود، اما اطلاعات برنامهریزیشده قبلی را به یاد نمیآورد. پژوهشگران توضیح دادند که ذخیره انرژی مفید، مانند باتری در چنین ابعاد کوچکی بسیار دشوار است.
چالش دیگر، استفاده از محلول پراکسید هیدروژن است، که در نسخه فعلی برای سلولهای زنده سمی محسوب میشود. این موضوع، کاربرد پزشکی مستقیم رباتها را در وضعیت کنونی غیرممکن میکند. با وجود این، تیم تحقیقاتی اعلام کرد که به دلیل یکپارچگی الکترونیکی ربات، امکان جایگزینی عملگرها با نمونههای زیستسازگار وجود دارد، به شرط آنکه ولتاژ و جریان مورد نیاز تطابق داشته باشد. پژوهشگران تأکید کردند که در حال توسعه نسخههایی با عملگرهای سازگار با بدن انسان هستند.
در نهایت، پژوهشگران به کاربردی فراتر از پزشکی اشاره کردند. آنها معتقد هستند که این رباتها میتوانند برای مونتاژ اجزای میکروسکوپی بهکار گرفته شوند. در حال حاضر، بیشتر سامانههای میکروسکوپی به صورت یکپارچه و همزمان ساخته میشوند و تغییر یک بخش، نیازمند بازطراحی کل سامانه است. استفاده از رباتهای کوچک و قابلکنترل، میتواند هزینهها را کاهش دهد، سرعت توسعه را افزایش دهد و حتی مسائل مربوط به مالکیت فکری را سادهتر کند.
دانشمندان تأکید کردند که مقیاس میکروسکوپی، ظرفیتی عظیم و کمتر شناختهشده دارد. آنها ابراز امیدواری کردند که حضور عاملهای کوچک، برنامهپذیر و خودران، در آینده بتواند درهای تازهای را به روی علم، پزشکی و صنعت باز کند؛ کاربردهایی که شاید امروز هنوز به طور کامل قابل تصور نباشند.
