حوزه رباتیک در مقیاس میکرو مدتهاست که با یک چالش اساسی دست و پنجه نرم میکند: چگونه میتوان نیروی کافی برای دستگاههای مستقل کوچک به اندازه کافی برای حرکت در بدن انسان یا خطوط لوله صنعتی فراهم کرد. منابع انرژی سنتی برای چنین کاربردهایی بسیار بزرگ یا ناکارآمد بوده اند و پتانسیل این شگفتی های مینیاتوری را محدود می کنند. با این حال، الف توسعه پیشگامانه مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) وعده داده است که بر این مانع غلبه کند و به طور بالقوه عصر جدیدی را آغاز کند. رباتیک در مقیاس میکرو.
مهندسان MIT باتری آنقدر کوچک طراحی کردهاند که به ضخامت موی انسان رقابت میکند، در عین حال به اندازهای قدرتمند است که میتواند به میکرو رباتهای خودمختار انرژی بدهد. این نوآوری می تواند زمینه های مختلف از مراقبت های بهداشتی تا تعمیر و نگهداری صنعتی را متحول کند و امکانات بی سابقه ای را برای مداخلات و بازرسی های هدفمند در محیط هایی که قبلاً غیرقابل دسترس بوده است، ارائه دهد.
قدرت کوچک سازی
باتری جدید توسعه یافته توسط MIT مرزهای کوچک سازی را تا حد قابل توجهی پیش می برد. این منبع انرژی با اندازه گیری تنها 0.1 میلی متر طول و 0.002 میلی متر ضخامت، به سختی با چشم غیر مسلح قابل مشاهده است. علیرغم اندازه کوچک آن، باتری دارای پانچ قابل توجهی است که می تواند تا 1 ولت برق تولید کند – برای تغذیه مدارهای کوچک، حسگرها یا محرک ها کافی است.
کلید عملکرد این باتری در طراحی خلاقانه آن نهفته است. اکسیژن هوای اطراف را مهار می کند تا روی را اکسید کند و جریان الکتریکی ایجاد کند. این رویکرد به باتری اجازه می دهد تا در محیط های مختلف بدون نیاز به منابع سوخت خارجی کار کند، که عاملی حیاتی برای عملکرد مستقل در تنظیمات مختلف است.
در مقایسه با راه حل های برق موجود برای ربات های کوچک، باتری MIT نشان دهنده جهش قابل توجهی به جلو است. تلاشهای قبلی برای تامین انرژی دستگاههای ریزمقیاس اغلب به منابع انرژی خارجی مانند لیزر یا میدانهای الکترومغناطیسی متکی بود. در حالی که این روشها در محیطهای کنترلشده مؤثر بودند، برد و استقلال رباتها را به شدت محدود کردند. باتری جدید، در مقابل، منبع انرژی داخلی را فراهم می کند و کاربردهای بالقوه و دامنه عملیاتی میکرو ربات ها را تا حد زیادی گسترش می دهد.
رها کردن میکرو ربات های مستقل
توسعه این باتری ریزمقیاس تغییری اساسی در زمینه رباتیک، بهویژه در حوزه میکرو دستگاههای مستقل است. با ادغام یک منبع انرژی به طور مستقیم در این ماشینهای کوچک، محققان اکنون میتوانند سیستمهای رباتیک مستقلی را تصور کنند که قادر به کار در محیطهای پیچیده و دنیای واقعی هستند.
این خودمختاری افزایشیافته در تضاد کامل با آنچه که محققان از آن به عنوان سیستمهای «ماریونت» یاد میکنند قرار میگیرد – میکرو رباتهایی که به منابع انرژی خارجی و مکانیسمهای کنترلی وابسته هستند. در حالی که چنین سیستمهایی قابلیتهای چشمگیری از خود نشان دادهاند، اتکای آنها به ورودیهای خارجی، کاربردهای بالقوه آنها را محدود میکند، بهویژه در محیطهای سخت یا حساس.
مایکل استرانو، پروفسور کربن پی. ما در حال ساخت عملکردهای رباتیک روی باتری هستیم و شروع به قرار دادن این اجزا در دستگاهها میکنیم.»
توانایی تامین انرژی اجزای مختلف از جمله محرک ها، ممریستورها، مدارهای ساعت و حسگرها، طیف وسیعی از امکانات را برای این میکروربات ها باز می کند. آنها به طور بالقوه می توانند در محیط های پیچیده حرکت کنند، اطلاعات را پردازش کنند، زمان را ردیابی کنند و به محرک های شیمیایی پاسخ دهند – همه در یک فاکتور شکلی به اندازه کافی کوچک برای وارد شدن به بدن انسان یا سیستم های صنعتی.
برنامه های کاربردی بالقوه
از مراقبت های بهداشتی گرفته تا تعمیر و نگهداری صنعتی، کاربردهای بالقوه این فناوری به همان اندازه که پیشگام هستند متنوع هستند.
مرزهای پزشکی
فنآوری باتری در مقیاس میکرو، فرصتهای هیجانانگیزی را در زمینه پزشکی، بهویژه در تحویل هدفمند دارو، باز میکند. محققان در نظر دارند رباتهای کوچکی که با باتری کار میکنند در بدن انسان مستقر کنند تا داروها را در مکانهای خاص حمل و منتشر کنند. این رویکرد میتواند درمانهای شرایط مختلف را متحول کند و به طور بالقوه کارایی را بهبود بخشد و در عین حال عوارض جانبی مرتبط با تجویز سیستمیک دارو را کاهش دهد.
فراتر از تحویل دارو، این میکرو ربات ها می توانند اشکال جدیدی از تشخیص ها و مداخلات کم تهاجمی را فعال کنند. به عنوان مثال، ممکن است برای جمعآوری نمونههای بافتی، رفع انسداد رگهای خونی، یا نظارت بر اندامهای داخلی در زمان واقعی استفاده شود. توانایی تامین انرژی حسگرها و فرستندهها در این مقیاس میتواند به دستگاههای پزشکی قابل کاشت پیشرفته برای نظارت مداوم سلامت منجر شود.
نوآوری های صنعتی
در بخش صنعتی، کاربردهای این فناوری به همان اندازه امیدوارکننده است. یکی از فوری ترین کاربردهای بالقوه در تشخیص نشت خط لوله گاز است. رباتهای مینیاتوری که با این باتریها کار میکنند، میتوانند از طریق سیستمهای خط لوله پیچیده حرکت کنند و نشتها را با دقت و کارایی بیسابقهای شناسایی و مکانیابی کنند.
این فناوری همچنین میتواند کاربردهایی را در سایر تنظیمات صنعتی که دسترسی برای انسان محدود یا خطرناک است، پیدا کند. به عنوان مثال می توان به بازرسی یکپارچگی سازه ها در نیروگاه های هسته ای، نظارت بر فرآیندهای شیمیایی در راکتورهای مهر و موم شده، یا کاوش در فضاهای باریک در تجهیزات تولیدی برای اهداف تعمیر و نگهداری اشاره کرد.
داخل میکرو باتری
قلب این نوآوری طراحی باتری روی هوا است. این شامل یک الکترود روی متصل به یک الکترود پلاتین است که هر دو در یک نوار پلیمری ساخته شده از SU-8، ماده ای که معمولا در میکروالکترونیک استفاده می شود، تعبیه شده است. هنگامی که روی در معرض مولکولهای اکسیژن در هوا قرار میگیرد، اکسید میشود و الکترونهایی آزاد میشود که به سمت الکترود پلاتین جریان مییابند و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد میشود.
این طراحی مبتکرانه به باتری اجازه میدهد تا اجزای مختلفی را که برای عملکرد میکرو رباتیک ضروری هستند، تغذیه کند. در تحقیقات خود، تیم MIT نشان داد که باتری می تواند انرژی:
- یک محرک (یک بازوی روباتیک با قابلیت بالا و پایین بردن)
- ممریستور (یک جزء الکتریکی که می تواند با تغییر مقاومت الکتریکی حافظه ها را ذخیره کند)
- مدار ساعت (روباتها را قادر میسازد زمان را ردیابی کنند)
- دو نوع حسگر شیمیایی (یکی از دی سولفید مولیبدن نازک اتمی و دیگری از نانولوله های کربنی ساخته شده است)
جهت گیری ها و چالش های آینده
در حالی که قابلیت های فعلی میکرو باتری چشمگیر است، تحقیقات در حال انجام با هدف افزایش ولتاژ خروجی آن است که می تواند کاربردهای اضافی و عملکردهای پیچیده تر را فعال کند. این تیم همچنین در حال کار بر روی ادغام باتری به طور مستقیم در دستگاههای رباتیک است و از تنظیمات فعلی که باتری از طریق سیم به اجزای خارجی متصل میشود، فراتر میرود.
یک نکته مهم برای کاربردهای پزشکی زیست سازگاری و ایمنی است. محققان در نظر دارند نسخههایی از این دستگاهها را با استفاده از موادی بسازند که پس از اتمام کار، به طور ایمن در بدن تخریب شوند. این رویکرد نیاز به بازیابی را از بین می برد و خطر عوارض طولانی مدت را کاهش می دهد.
جهت هیجان انگیز دیگر، ادغام بالقوه این میکرو باتری ها در سیستم های رباتیک پیچیده تر است. این می تواند منجر به انبوهی از ریز روبات های هماهنگ شود که قادر به مقابله با وظایف در مقیاس بزرگتر یا ارائه قابلیت های نظارت و مداخله جامع تر هستند.
خط پایین
باتری میکرو مقیاس MIT نشان دهنده جهش قابل توجهی در زمینه رباتیک مستقل است. این فناوری با ارائه یک منبع انرژی مناسب برای رباتهای اندازه سلولی، راه را برای کاربردهای پیشگامانه در پزشکی، صنعت و فراتر از آن هموار میکند. با ادامه تحقیقات برای اصلاح و گسترش این نوآوری، ما در آستانه عصر جدیدی در فناوری نانو قرار داریم، دورانی که نوید تغییر توانایی ما برای تعامل و دستکاری جهان در مقیاس خرد را می دهد.
