به نقل از science daily،پژوهشگران ربات هایی میکروسکوپی ساخته اند که آن قدر کوچک اند که تقریباً با چشم دیده نمی شوند، اما آن قدر هوشمند هستند که بتوانند محیط را حس کنند، تصمیم بگیرند و کاملاً مستقل حرکت کنند. این ربات ها با نور کار می کنند و به رایانه های بسیار کوچک مجهز شده اند. آن ها به جای استفاده از قطعات متحرک، با دستکاری میدان های الکتریکی در مایع شنا می کنند. این ربات ها قادرند تغییرات دما را تشخیص دهند، مسیرهای برنامه ریزی شده را دنبال کنند و حتی به صورت گروهی همکاری کنند. این دستاورد، نخستین نمونه از ربات های واقعاً خودمختار در این مقیاس میکروسکوپی است.

یک میکروربات، مجهز به حسگر و رایانه، آن قدر کوچک که روی شیار اثر انگشت قرار می گیرد. (عکس: مارک میسکین، دانشگاه پنسیلوانیا تصویر کوچک: یک میکروربات روی یک سکه پنی آمریکا، برای نمایش مقیاس. عکس: مایکل سیماری، دانشگاه میشیگان)

پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا و دانشگاه میشیگان کوچک ترین ربات های خودمختار و کاملاً برنامه پذیر جهان را ساخته اند. این ماشین های میکروسکوپی می توانند در مایع شنا کنند، محیط خود را حس کنند، به طور مستقل واکنش نشان دهند، ماه ها کار کنند و هزینه ساخت هرکدام تنها حدود یک پنی است.

هر ربات بدون بزرگ نمایی تقریباً دیده نمی شود و ابعادی حدود 200 در 300 در 50 میکرومتر دارد—کوچک تر از یک دانه نمک. چون این ربات ها در همان مقیاس بسیاری از میکروارگانیسم های زنده عمل می کنند، ممکن است روزی پزشکان از آن ها برای پایش سلول های منفرد یا مهندسان برای ساخت دستگاه های بسیار کوچک در تولیدات پیشرفته استفاده کنند.

این ربات ها کاملاً با نور کار می کنند و رایانه های میکروسکوپی درون آن ها امکان دنبال کردن مسیرهای برنامه ریزی شده، تشخیص دمای محیط و تنظیم حرکت را فراهم می کند.

این پژوهش در مجلات Science Robotics و PNAS منتشر شده است. برخلاف نمونه های قبلی، این ربات ها به سیم، میدان مغناطیسی یا کنترل خارجی وابسته نیستند. همین ویژگی آن ها را به نخستین ربات های واقعاً خودمختار و برنامه پذیر در این مقیاس تبدیل می کند.

مارک میسکین، استادیار مهندسی برق و سیستم ها در دانشگاه پنسیلوانیا، می گوید: ما ربات های خودمختاری ساخته ایم که 10 هزار برابر کوچک تر از نمونه های قبلی اند. این یک مقیاس کاملاً جدید برای ربات های برنامه پذیر است.

چرا کوچک کردن ربات ها این قدر دشوار بوده است؟

الکترونیک طی دهه ها کوچک تر شده، اما رباتیک چنین روندی را تجربه نکرده است. میسکین می گوید استقلال ربات ها در اندازه های کمتر از یک میلی متر، چالشی حل نشده باقی مانده بود.

او توضیح می دهد: در این مقیاس، نیروهای سطحی مثل چسبندگی و گرانروی بر حرکت غلبه می کنند. اگر خیلی کوچک باشید، فشار دادن آب مثل فشار دادن قیر است.

به همین دلیل، طراحی های معمول رباتیک در این مقیاس شکست می خورند. پاها و بازوهای کوچک به راحتی می شکنند و ساختشان بسیار دشوار است.

برای حل این مشکل، پژوهشگران روش کاملاً جدیدی برای حرکت ربات ها ابداع کردند که با فیزیک دنیای میکروسکوپی سازگار است.

ربات های میکروسکوپی چگونه شنا می کنند؟

- آن ها میدان الکتریکی ایجاد می کنند.

- این میدان یون های موجود در مایع را حرکت می دهد.

- یون ها نیز مولکول های آب را با خود می کشند.

- در نتیجه، ربات درون جریانی حرکت می کند که خودش ایجاد کرده است.

با تنظیم میدان الکتریکی، ربات ها می توانند جهت خود را تغییر دهند، مسیرهای پیچیده را دنبال کنند و حتی مانند یک گله ماهی به صورت گروهی هماهنگ شوند. سرعت آن ها می تواند به اندازه طول بدنشان در هر ثانیه برسد.

چون این روش هیچ قطعه متحرکی ندارد، ربات ها بسیار بادوام اند و می توانند ماه ها با نور LED کار کنند.

برای خودمختاری واقعی، ربات باید بتواند:

- محیط را حس کند

- تصمیم بگیرد

- انرژی خود را تأمین کند

و همه این ها باید روی تراشه ای کوچک تر از یک میلی متر جا شود.

تیم دیوید بلاوو در دانشگاه میشیگان این چالش را بر عهده گرفت. آن ها قبلاً رکورد کوچک ترین رایانه جهان را داشتند. همکاری بلاوو و میسکین پنج سال طول کشید تا به یک ربات واقعی تبدیل شود.

پنل های خورشیدی ربات تنها 75 نانووات تولید می کنند—بیش از 100 هزار برابر کمتر از یک ساعت هوشمند.

بنابراین، تیم مجبور شد مدارهایی فوق کم مصرف طراحی کند.

چالش دیگر، کمبود فضا بود. پنل های خورشیدی تقریباً تمام سطح ربات را می پوشانند. برای حل این مشکل، نرم افزار ربات کاملاً بازطراحی شد تا دستورهای پیچیده در قالب یک دستور فشرده شود.

این ربات ها نخستین نمونه های زیر یک میلی متر هستند که می توانند تصمیم گیری واقعی انجام دهند. آن ها مجهز به:

- پردازنده

- حافظه

- حسگرهای دما

هستند و می توانند تغییرات دما به اندازه یک سوم درجه را تشخیص دهند. این قابلیت برای پایش سلول ها بسیار ارزشمند است.

برای گزارش داده ها، ربات ها از یک رقص کوچک استفاده می کنند. الگوی حرکت آن ها اطلاعات را رمزگذاری می کند و پژوهشگران با دوربین آن را رمزگشایی می کنند—مشابه رقص زنبورهای عسل.

هر ربات آدرس مخصوص خود را دارد و می توان دستورهای متفاوتی به هرکدام ارسال کرد.

سکوی ساخت نسل آینده ربات های میکروسکوپی

- سریع تر حرکت کنند

- حسگرهای بیشتری داشته باشند

- در محیط های سخت تر کار کنند

- برنامه های پیچیده تری اجرا کنند

میسکین می گوید: ما نشان داده ایم که می توان مغز، حسگر و موتور را در چیزی تقریباً نامریی قرار داد و آن را ماه ها فعال نگه داشت. این فقط فصل اول است.

این پژوهش با حمایت NSF، نیروی هوایی، ارتش، بنیاد پکارد، بنیاد اسلون و برنامه زیرساخت نانوفناوری NSF انجام شد.