رباتهایی کوچکتر از یک دانه نمک؛ نسل جدید رباتهای خودمختار و برنامهپذیر معرفی شد
محققان دانشگاه پنسیلوانیا و دانشگاه میشیگان موفق به ساخت کوچکترین ربات های مستقل و کاملاً قابل برنامه ریزی جهان شده اند. ماشینهای میکروسکوپی که میتوانند در مایعات شنا کنند، محیط اطراف خود را حس کنند و ماهها بدون وقفه کار کنند و برای تولید هر کدام فقط حدود یک سنت هزینه دارند.
این ربات تنها با بزرگنمایی قابل مشاهده است و ابعادی در حدود ۲۰۰*۳۰۰*۵۰ میکرومتر دارد. یعنی کوچکتر از یک دانه نمک!
از آنجایی که این رباتها در مقیاسی شبیه به بسیاری از میکروارگانیسمهای زنده عمل میکنند، در آینده میتوانند به پزشکان در نظارت بر تک سلولی یا مهندسان برای مونتاژ ابزارهای بسیار ظریف در صنایع پیشرفته کمک کنند.
این روباتها که کاملاً از نور تغذیه میکنند، مجهز به رایانههای میکروسکوپی هستند که به آنها اجازه میدهد مسیرهای برنامهریزی شده را دنبال کنند، تغییرات دمایی محلی را تشخیص دهند و حرکت را در پاسخ به محیط تنظیم کنند.
برخلاف ماشینهای مینیاتوری قبلی، این رباتها به سیمها، میدانهای مغناطیسی یا کنترلهای خارجی وابسته نیستند و آنها را به اولین روباتهای واقعا مستقل و قابل برنامهریزی در این مقیاس تبدیل میکند.
مارک میسکین، دانشیار مهندسی برق و سیستمها در دانشکده مهندسی دانشگاه پنسیلوانیا و نویسنده اصلی مقاله میگوید: «ما رباتهای خودران را ۱۰۰۰۰ برابر کوچکتر ساختهایم. این دستاورد مقیاس کاملاً جدیدی را برای روبات های قابل برنامه ریزی باز می کند.”
چرا کوچک کردن ربات ها دشوار بوده است؟
در حالی که در دهههای گذشته وسایل الکترونیکی بهطور پیوسته کوچکتر شدهاند، روباتیک از این روش پیروی نکرده است. میسکین گفت که دستیابی به استقلال عملیاتی در ابعاد زیر میلی متری برای دهه ها چالش حل نشده باقی مانده بود. او توضیح میدهد: «ساخت رباتهایی که به طور مستقل در اندازههای زیر میلیمتری کار میکنند، فوقالعاده دشوار است. این حوزه عملاً حدود ۴۰ سال روی این مشکل گیر کرده بود.
در مقیاس های معمولی، حرکت تحت تأثیر نیروهایی مانند گرانش و اینرسی است، اما در ابعاد میکروسکوپی، نیروهای سطحی غالب هستند. خاصیت ارتجاعی و ویسکوزیته به شدت افزایش می یابد و نحوه حرکت کاملاً تغییر می کند. میسکین میگوید: «وقتی خیلی کوچک هستید، فشار دادن آب مانند حرکت در قیر است.
به همین دلیل، طرح های رباتیک معمولی کار نمی کنند. دستها یا پاهای خیلی کوچک به راحتی میشکنند و درست کردنشان بسیار سخت است. برای غلبه بر این محدودیت ها، تیم تحقیقاتی روشی کاملاً جدید برای حرکت روبات ها طراحی کردند که با فیزیک دنیای میکروسکوپی سازگار است.
ربات های میکروسکوپی چگونه شنا می کنند؟
ماهی های بزرگ و شناگران با عقب راندن آب و طبق قانون سوم نیوتن حرکت می کنند، اما این روبات های کوچک از روش دیگری استفاده می کنند.
آنها با ایجاد میدان الکتریکی ذرات باردار را در مایع اطراف به آرامی حرکت می دهند. حرکت یون ها مولکول های آب مجاور را با خود می کشد و در نهایت جریان سیال در اطراف ربات تشکیل می شود. میسکین این فرآیند را اینگونه توصیف می کند: “مثل این است که ربات در رودخانه در حال حرکت است، با این تفاوت که خود رودخانه را به حرکت در می آورد.”
با تنظیم میدان الکتریکی، رباتها میتوانند جهت را تغییر دهند، مسیرهای پیچیده را دنبال کنند و حتی به صورت گروهی حرکت کنند، شبیه به دستههای ماهی. سرعت آنها به حدود یک طول بدن در ثانیه می رسد.
از آنجایی که این روش شنا فاقد قطعات متحرک است، ربات ها بادوام هستند و می توان با میکروپیپت بدون آسیب به طور مکرر حرکت داد. انرژی مورد نیاز آنها از چراغ ال ای دی تامین می شود و به همین دلیل می توانند ماه ها به حرکت خود ادامه دهند.
فشرده سازی هوش در یک جسم میکروسکوپی
استقلال واقعی به حرکت محدود نمی شود. یک ربات باید بتواند محیط را حس کند، تصمیم بگیرد و انرژی خود را تامین کند. قرار دادن همه این اجزا بر روی یک تراشه با کسری از میلی متر چالش بزرگی بود که تیم دیوید بلاو در دانشگاه میشیگان آن را به عهده گرفت.
Blau Labs قبلاً رکورد ساخت کوچکترین کامپیوتر جهان را در اختیار داشت. ملاقاتی بین او و میسکین در ارائه پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی پنج سال پیش، آغاز این همکاری بود. بلائو می گوید: «سیستم پیشرانه دانشگاه پنسیلوانیا و ابررایانه های ما عملاً برای یکدیگر ساخته شده اند.
یکی از بزرگترین چالش ها تامین انرژی بود. Blau توضیح می دهد: “پانل های خورشیدی بسیار کوچک هستند و تنها ۷۵ نانووات انرژی تولید می کنند.” یعنی بیش از ۱۰۰ هزار برابر کمتر از مصرف یک ساعت هوشمند. برای حل این مشکل مدارهای ولتاژ بسیار پایین طراحی شد که مصرف انرژی را بیش از هزار برابر کاهش داد.
کمبود فضا نیز یک محدودیت بزرگ بود. بیشتر سطح ربات توسط پنل های خورشیدی اشغال شده است و فضای کمی برای سخت افزار محاسباتی باقی می ماند. به همین دلیل، محققان ساختار نرم افزار را دوباره طراحی کردند و دستورالعمل ها را بسیار فشرده ساختند تا در حافظه بسیار کوچک ربات قرار بگیرند.
ربات هایی که حس می کنند و ارتباط برقرار می کنند
ترکیب این نوآوری ها منجر به ایجاد اولین ربات زیر یک میلی متری با قابلیت تصمیم گیری واقعی شد. به گفته محققان، هیچ کس موفق نشده بود یک کامپیوتر کامل شامل پردازنده، حافظه و حسگرها را در چنین ابعادی در داخل یک ربات قرار دهد.
این ربات ها مجهز به حسگرهای الکترونیکی دما هستند که تغییرات دما را تا یک سوم درجه سانتیگراد تشخیص می دهند. این ویژگی امکان انتقال به مناطق گرمتر یا گزارش دما را به عنوان شاخصی از فعالیت سلولی فراهم می کند.
یک راه حل خلاقانه برای انتقال این اطلاعات طراحی شده است. Blau میگوید: «برای گزارش دما، دستورالعمل خاصی طراحی کردیم که مقدار اندازهگیری شده در حرکات رقصمانند ربات را رمزگذاری میکند. سپس با میکروسکوپ و دوربین این حرکات را می خوانیم. بسیار شبیه به نحوه ارتباط زنبورها است.”
همان نوری که ربات ها را نیرو می دهد برای برنامه ریزی آنها نیز استفاده می شود. هر ربات دارای یک آدرس منحصر به فرد است و دستورالعمل های مختلفی می تواند برای هر واحد ارسال شود. قابلیتی که امکان اجرای وظایف متنوع را در یک ماموریت جمعی فراهم می کند.
نتایج این تحقیق در مجلات “Science Robotics” و “(PNAS)” منتشر شده است.
منبع: یورونیوز
