سال های اخیر شاهد پیشرفت های چشمگیری در زمینه رباتیک در مقیاس میکرو، مرزهای آنچه را که در سطح مینیاتوری ممکن است پیش می‌برد. این پیشرفت‌ها راه را برای پیشرفت‌های بالقوه در زمینه‌هایی از کاربردهای پزشکی گرفته تا نظارت بر محیط‌زیست هموار کرده است. در این چشم انداز نوآوری، محققان دانشگاه کرنل سهم قابل توجهی داشته اند و ربات هایی در مقیاس کوچک توسعه داده اند که می توانند شکل خود را به دستور تغییر دهند.
این تیم به سرپرستی پروفسور Itai Cohen از دپارتمان فیزیک کورنل، ربات‌هایی با اندازه کمتر از یک میلی‌متر ساخته‌اند که می‌توانند از یک فرم مسطح و دو بعدی به اشکال مختلف سه بعدی تبدیل شوند. این توسعه، به تفصیل در مقاله منتشر شده در مواد طبیعت، نشان دهنده یک جهش قابل توجه به جلو در قابلیت های سیستم های رباتیک در مقیاس کوچک است.
کاربرد تکنیک های کیریگامی در مهندسی رباتیک
در قلب این پیشرفت، استفاده نوآورانه از اصول kirigami در طراحی رباتیک نهفته است. Kirigami، گونه‌ای از اوریگامی که شامل برش و همچنین تا کردن کاغذ است، مهندسان را برای ایجاد ساختارهایی که می‌توانند به روش‌های دقیق و قابل پیش‌بینی تغییر شکل دهند، الهام گرفته است.
در زمینه این ربات‌های ریزمقیاس، تکنیک‌های kirigami امکان ادغام برش‌ها و چین‌های استراتژیک را در مواد فراهم می‌کنند. این رویکرد طراحی، ربات‌ها را قادر می‌سازد تا از حالت تخت به پیکربندی‌های سه‌بعدی پیچیده تبدیل شوند و تطبیق‌پذیری بی‌سابقه‌ای در سطح خرد به آنها بدهد.
محققان به خلقت خود لقب “ربات متا ورق” داده اند. اصطلاح “متا” در اینجا به فرامواد – مواد مهندسی شده با خواصی که در مواد طبیعی یافت نمی شود اشاره دارد. در این مورد، متا شیت از بلوک های ساختمانی متعددی تشکیل شده است که به طور هماهنگ برای ایجاد رفتارهای مکانیکی منحصر به فرد کار می کنند.
این طراحی metasheet به ربات اجازه می دهد تا منطقه پوشش خود را تغییر دهد و تا 40٪ به صورت محلی منبسط یا منقبض شود. توانایی اتخاذ اشکال مختلف به طور بالقوه این روبات‌ها را قادر می‌سازد تا با محیط خود به روش‌هایی که قبلاً در این مقیاس دست نیافتنی نبود، تعامل کنند.
مشخصات فنی و عملکرد
این ربات در مقیاس میکرو به عنوان یک کاشی شش ضلعی ساخته شده است که از حدود 100 پانل دی اکسید سیلیکون تشکیل شده است. این پانل ها توسط بیش از 200 لولا فعال کننده به هم متصل می شوند که هر کدام ضخامتی در حدود 10 نانومتر دارند. این آرایش پیچیده پانل ها و لولاها اساس قابلیت های تغییر شکل ربات را تشکیل می دهد.
تبدیل و حرکت این ربات ها از طریق فعال سازی الکتروشیمیایی به دست می آید. هنگامی که یک جریان الکتریکی از طریق سیم های خارجی اعمال می شود، لولاهای فعال را تحریک می کند تا چین های کوه و دره را تشکیل دهند. این عمل باعث می شود که پانل ها باز شوند و بچرخند و ربات را قادر می سازد شکل خود را تغییر دهد.
با فعال کردن انتخابی لولاهای مختلف، ربات می تواند تنظیمات مختلفی را اتخاذ کند. این به آن اجازه می دهد تا به طور بالقوه در اطراف اشیاء بپیچد یا به یک صفحه صاف باز شود. توانایی خزیدن و تغییر شکل در پاسخ به محرک‌های الکتریکی سطحی از کنترل و تطبیق پذیری را نشان می‌دهد که این روبات‌ها را از طرح‌های ریزمقیاس قبلی متمایز می‌کند.
کاربردها و پیامدهای بالقوه
توسعه این ربات‌های ریزمقیاس تغییر شکل، کاربردهای بالقوه زیادی را در زمینه‌های مختلف باز می‌کند. در حوزه پزشکی، این ربات ها می توانند روش های کم تهاجمی را متحول کنند. توانایی آنها در تغییر شکل و حرکت در ساختارهای پیچیده بدن می تواند آنها را برای دارورسانی هدفمند یا جراحی میکروبی ارزشمند کند.
در زمینه علوم زیست محیطی، این ربات ها می توانند برای نظارت در مقیاس کوچک اکوسیستم ها یا آلاینده ها به کار گرفته شوند. اندازه کوچک و سازگاری آنها به آنها امکان دسترسی و تعامل با محیط هایی را می دهد که در حال حاضر مطالعه آنها دشوار است.
علاوه بر این، در علم مواد و تولید، این روبات‌ها می‌توانند به عنوان بلوک‌های ساختمانی برای ریزماشین‌های قابل تنظیم مجدد عمل کنند. این می تواند منجر به توسعه مواد تطبیقی شود که می توانند خواص خود را در صورت تقاضا تغییر دهند و فرصت های جدیدی را در زمینه هایی مانند مهندسی هوافضا یا منسوجات هوشمند ایجاد کنند.
جهت گیری های تحقیقاتی آینده
تیم کورنل در حال حاضر به دنبال فاز بعدی این فناوری است. یکی از راه های مهیج تحقیق، توسعه موادی است که آنها را “الاسترونیک” می نامند. اینها ساختارهای مکانیکی انعطاف‌پذیر را با کنترل‌کننده‌های الکترونیکی ترکیب می‌کنند و مواد فوق‌العاده‌ای را با خواصی فراتر از هر چیزی که در طبیعت یافت می‌شود، ایجاد می‌کنند.
پروفسور کوهن موادی را تصور می کند که می توانند به روش های برنامه ریزی شده به محرک ها پاسخ دهند. به عنوان مثال، هنگامی که این مواد تحت فشار قرار می‌گیرند، می‌توانند با نیرویی بیشتر از آنچه تجربه کرده‌اند «فرار» یا عقب رانده شوند. این مفهوم از ماده هوشمند با اصولی که از محدودیت‌های طبیعی فراتر می‌رود، می‌تواند منجر به کاربردهای دگرگون‌کننده در صنایع مختلف شود.
حوزه دیگری از تحقیقات آینده شامل افزایش توانایی روبات ها در برداشت انرژی از محیط خود است. با ترکیب قطعات الکترونیکی حساس به نور در هر بلوک ساختمانی، محققان قصد دارند ربات هایی بسازند که بتوانند برای مدت طولانی به طور مستقل کار کنند.
چالش ها و ملاحظات
با وجود پتانسیل هیجان انگیز این ربات های ریزمقیاس، چندین چالش باقی مانده است. یکی از نگرانی های اصلی افزایش تولید این دستگاه ها با حفظ دقت و قابلیت اطمینان است. ماهیت پیچیده ساخت ربات ها موانع تولید قابل توجهی را نشان می دهد که برای کاربرد گسترده باید بر آنها غلبه کرد.
علاوه بر این، کنترل این ربات ها در محیط های واقعی چالش های اساسی را به همراه دارد. در حالی که تحقیقات کنونی کنترل از طریق سیم‌های خارجی را نشان می‌دهد، توسعه سیستم‌های کنترل بی‌سیم و منبع تغذیه در این مقیاس یک مانع مهم باقی می‌ماند.
ملاحظات اخلاقی نیز مطرح می شود، به ویژه هنگامی که کاربردهای بالقوه زیست پزشکی را در نظر می گیریم. استفاده از ربات های ریزمقیاس در داخل بدن انسان سوالات مهمی در مورد ایمنی، اثرات طولانی مدت و رضایت بیمار ایجاد می کند که باید به دقت مورد توجه قرار گیرد.
خط پایین
توسعه ربات‌های ریزمقیاس تغییر شکل توسط محققان دانشگاه کورنل، نقطه عطف مهمی در علم رباتیک و مواد است. با به کارگیری مبتکرانه اصول kirigami برای ایجاد ساختارهای metasheet، این پیشرفت، طیف گسترده ای از کاربردهای بالقوه را از رویه های پزشکی انقلابی گرفته تا نظارت پیشرفته محیطی را باز می کند.
در حالی که چالش‌ها در تولید، کنترل و ملاحظات اخلاقی همچنان باقی است، این تحقیق زمینه‌ای را برای نوآوری‌های آینده مانند مواد “الاسترونیک” فراهم می‌کند. همانطور که این فناوری به تکامل خود ادامه می‌دهد، این پتانسیل را دارد که صنایع متعدد و چشم‌انداز فناوری گسترده‌تر ما را تغییر دهد و یک بار دیگر نشان دهد که چگونه پیشرفت‌ها در مقیاس خرد می‌تواند منجر به تأثیرات بزرگ بر علم و جامعه شود.
