ربات‌هایی کوچک‌تر از یک دانه نمک؛ نسل جدید ربات‌های خودمختار و برنامه‌پذیر معرفی شد

پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا و دانشگاه میشیگان موفق به ساخت کوچک‌ترین ربات‌های خودمختار و کاملا برنامه‌پذیر جهان شده‌اند؛ ماشین‌هایی میکروسکوپی که می‌توانند در مایعات شنا کرده و محیط اطراف خود را حس کرده و ماه‌ها بدون توقف کار کنند و هزینه تولید هرکدام تنها حدود یک سنت است.

کد خبر: ۹۰۴۰۷۷

تاریخ: ۱۷ دی ۱۴۰۴ - ۲۲:۴۷

این ربات، تنها با بزرگ‌نمایی قابل مشاهده است و ابعادی در حدود ۲۰۰ در ۳۰۰ در ۵۰ میکرومتر دارد؛ یعنی کوچک‌تر از یک دانه نمک!

از آنجا که این ربات‌ها در مقیاسی مشابه بسیاری از ریزاندامگان زنده عمل می‌کنند، در آینده می‌توانند به پزشکان در پایش سلول‌های منفرد یا به مهندسان در مونتاژ ابزارهای بسیار ظریف در صنایع پیشرفته کمک کنند.

این ربات‌ها که کاملا با نور تغذیه می‌شوند، به رایانه‌های میکروسکوپی مجهز هستند که امکان دنبال‌کردن مسیرهای برنامه‌ریزی‌شده، تشخیص تغییرات دمایی موضعی و تنظیم حرکت در واکنش به محیط را فراهم می‌کند.

برخلاف ماشین‌های مینیاتوری پیشین، این ربات‌ها به سیم، میدان مغناطیسی یا کنترل خارجی وابسته نیستند و به همین دلیل نخستین ربات‌های واقعاً خودمختار و برنامه‌پذیر در این مقیاس به شمار می‌آیند.

مارک میسکین، دانشیار مهندسی برق و سامانه‌ها در دانشکده مهندسی دانشگاه پنسیلوانیا و نویسنده ارشد این مقالات، می‌گوید: «ما ربات‌های خودمختار را ۱۰ هزار برابر کوچک‌تر کرده‌ایم. این دستاورد، مقیاس کاملا جدیدی را برای ربات‌های برنامه‌پذیر باز می‌کند.»

چرا کوچک‌سازی ربات‌ها دشوار بوده است؟

در حالی که الکترونیک طی دهه‌های گذشته به‌طور پیوسته کوچک‌تر شده، رباتیک از این روند پیروی نکرده است. به گفته میسکین، دستیابی به استقلال عملیاتی در ابعاد کمتر از یک میلی‌متر، دهه‌ها یک چالش حل‌نشده باقی مانده بود. او توضیح می‌دهد: «ساخت ربات‌هایی که در اندازه‌های زیر یک میلی‌متر به‌طور مستقل کار کنند، فوق‌العاده دشوار است. این حوزه عملاً حدود ۴۰ سال روی همین مشکل متوقف مانده بود.»

در مقیاس‌های معمول، حرکت تحت تأثیر نیروهایی مانند گرانش و اینرسی است، اما در ابعاد میکروسکوپی، نیروهای سطحی غالب می‌شوند. کشش و ویسکوزیته به‌شدت افزایش می‌یابد و شیوه حرکت کاملاً تغییر می‌کند. میسکین می‌گوید: «وقتی خیلی کوچک باشید، فشار دادن آب مثل حرکت کردن در قیر است.»

به همین دلیل، طراحی‌های متعارف رباتیک کارایی ندارند. بازوها یا پاهای بسیار ریز به‌راحتی می‌شکنند و ساخت آن‌ها بسیار دشوار است. تیم پژوهشی برای عبور از این محدودیت‌ها، روشی کاملا جدید برای حرکت ربات‌ها طراحی کرد که با فیزیک دنیای میکروسکوپی سازگار است.

ربات‌های میکروسکوپی چگونه شنا می‌کنند؟

ماهی‌ها و شناگران بزرگ با عقب راندن آب و بر اساس قانون سوم نیوتن حرکت می‌کنند، اما این ربات‌های بسیار کوچک از روشی متفاوت بهره می‌برند.

آن‌ها با ایجاد یک میدان الکتریکی، ذرات باردار موجود در مایع اطراف را به‌آرامی به حرکت درمی‌آورند. حرکت یون‌ها، مولکول‌های آب مجاور را با خود می‌کشد و در نهایت جریان سیال پیرامون ربات شکل می‌گیرد. میسکین این فرایند را چنین توصیف می‌کند: «انگار ربات در رودخانه‌ای در حال حرکت است، با این تفاوت که خودش همان رودخانه را به حرکت درمی‌آورد.»

با تنظیم میدان الکتریکی، ربات‌ها می‌توانند مسیر خود را تغییر دهند، مسیرهای پیچیده را دنبال کنند و حتی به‌صورت گروهی، مشابه دسته‌های ماهی، حرکت هماهنگ داشته باشند. سرعت آن‌ها به حدود یک طول بدن در ثانیه می‌رسد.

از آنجا که این روش شنا فاقد قطعات متحرک است، ربات‌ها دوام بالایی دارند و می‌توان آن‌ها را بارها با میکروپیپت جابه‌جا کرد بدون آنکه آسیب ببینند. انرژی مورد نیازشان نیز از نور ال ای‌دی تأمین می‌شود و به همین دلیل قادرند ماه‌ها به حرکت خود ادامه دهند.

فشرده‌سازی هوش در بدنی میکروسکوپی

خودمختاری واقعی تنها به حرکت محدود نمی‌شود؛ یک ربات باید بتواند محیط را حس کند، تصمیم بگیرد و انرژی خود را تأمین کند. جا دادن همه این اجزا روی تراشه‌ای با کسری از یک میلی‌متر، چالشی بزرگ بود که تیم دیوید بلاو در دانشگاه میشیگان آن را بر عهده گرفت.

آزمایشگاه بلاو پیش‌تر رکورد ساخت کوچک‌ترین رایانه جهان را در اختیار داشت. دیدار او و میسکین در یک ارائه آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی آمریکا در پنج سال پیش، نقطه آغاز این همکاری شد. بلااو می‌گوید: «سیستم پیشران دانشگاه پنسیلوانیا و رایانه‌های فوق‌ریز ما عملا برای یکدیگر ساخته شده بودند.»

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها، تأمین انرژی بود. بلاو توضیح می‌دهد: «پنل‌های خورشیدی بسیار کوچک‌اند و تنها ۷۵ نانووات توان تولید می‌کنند؛ یعنی بیش از ۱۰۰ هزار برابر کمتر از مصرف یک ساعت هوشمند.» برای حل این مشکل، مدارهایی با ولتاژ بسیار پایین طراحی شد که مصرف انرژی را بیش از هزار برابر کاهش داد.

کمبود فضا نیز محدودیت بزرگی بود. بیشتر سطح ربات را پنل‌های خورشیدی اشغال می‌کنند و فضای اندکی برای سخت‌افزار محاسباتی باقی می‌ماند. به همین دلیل، پژوهشگران ساختار نرم‌افزار را بازطراحی کردند و دستورالعمل‌ها را به‌شدت فشرده ساختند تا در حافظه بسیار کوچک ربات جای بگیرند.

ربات‌هایی که حس می‌کنند و ارتباط برقرار می‌کنند

ترکیب این نوآوری‌ها به ساخت نخستین ربات زیرِ یک میلی‌متر انجامید که قادر به تصمیم‌گیری واقعی است. به گفته پژوهشگران، پیش از این هیچ‌کس موفق نشده بود یک رایانه کامل شامل پردازنده، حافظه و حسگر را در چنین ابعادی درون یک ربات جای دهد.

این ربات‌ها به حسگرهای دمایی الکترونیکی مجهز هستند که تغییرات دما تا حدود یک‌سوم درجه سانتی‌گراد را تشخیص می‌دهند. این ویژگی امکان حرکت به سمت نواحی گرم‌تر یا گزارش دما به‌عنوان شاخصی از فعالیت سلولی را فراهم می‌کند.

برای انتقال این اطلاعات، راهکاری خلاقانه طراحی شده است. بلاو می‌گوید: «برای گزارش دما، یک دستورالعمل ویژه طراحی کردیم که مقدار اندازه‌گیری‌شده را در حرکات رقص‌گونه ربات رمزگذاری می‌کند. سپس با میکروسکوپ و دوربین، این حرکات را می‌خوانیم؛ بسیار شبیه به شیوه ارتباط زنبورهای عسل.»

همان نوری که ربات‌ها را تغذیه می‌کند، برای برنامه‌ریزی آن‌ها نیز به کار می‌رود. هر ربات یک نشانی منحصربه‌فرد دارد و می‌توان دستورالعمل‌های متفاوتی به هر واحد ارسال کرد؛ قابلیتی که اجرای وظایف متنوع در یک ماموریت جمعی را ممکن می‌سازد.

نتایج این پژوهش در نشریات «Science Robotics» و «(PNAS)» منتشر شده است.

منبع: یورونیوز