طراحی و ساخت یک ازدحام از رباتهای کاملاً خودمختار با ابعادی کمتر از یک میلیمتر، در نگاه نخست کاری بسیار پرهزینه و حتی غیرممکن به نظر میرسد. با این حال، گروهی از پژوهشگران در دانشگاه پنسیلوانیا و دانشگاه میشیگان نهتنها موفق به ساخت نسل جدیدی از ماشینهای خورشیدی با رکوردهای تازه شدهاند، بلکه هر یک از این رباتها تنها با هزینهای معادل ۰.۰۱ دلار تولید میشود. این رباتها میتوانند به پیشرفت حوزههایی از تولید در فناوری نانو گرفته تا تحقیقات پزشکی کمک کنند. افزون بر این، به گفته مارک میسکین، مهندس دانشگاه پنسیلوانیا، دستاورد تیم پژوهشی او به معمایی در حوزه رباتیک که دههها ادامه داشت پایان داده است.
مارک میسکین توضیح داده که ساخت رباتهایی که بتوانند بهصورت مستقل و در ابعادی کمتر از یک میلیمتر عمل کنند، فوقالعاده دشوار بوده و این حوزه عملاً حدود ۴۰ سال درگیر همین مشکل اساسی بوده است. در یکی از تصاویر منتشرشده، یک ربات کامل در کنار عدد ضربشده روی یک سکه یک سِنتی قرار داده شده تا مقیاس اندازه آن بهتر درک شود. اعتبار تصویر به کایل اسکلایل از دانشگاه پنسیلوانیا تعلق دارد.
مارک میسکین و همکارانش اخیراً در مجلات Science Robotics و Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) بهتفصیل توضیح دادهاند که مشکل اصلی در ساخت یک ربات کاملاً خودمختار در این مقیاس، به قوانین فیزیک بازمیگردد. اجسام بزرگ، از جمله انسانها، در جهانی حرکت میکنند که عمدتاً تحت تأثیر اینرسی و گرانش است. اما هرچه ابعاد یک جسم کوچکتر میشود، عواملی مانند سطح تماس، ویسکوزیته و نیروی پسا نقش بسیار پررنگتری پیدا میکنند.
به بیان میسکین، در مقیاسهای بسیار کوچک، هل دادن آب شباهت زیادی به حرکت در قیر غلیظ دارد. این موضوع باعث میشود که طراحیهای حرکتی رایج مانند بازو و پا، که در مقیاسهای بزرگ بر پایه گرانش و اینرسی بهخوبی کار میکنند، در مقیاس میکروسکوپی بیش از حد ظریف و ناکارآمد شوند. حل این مشکل پژوهشگران را وادار کرد که رویکردی کاملاً متفاوت برای حرکت انتخاب کنند؛ رویکردی که در سطح الکتریکی عمل میکند.
هر ربات ابعادی در حدود ۲۰۰ در ۳۰۰ در ۵۰ میکرومتر دارد، یعنی حتی کوچکتر از یک دانه نمک. با وجود این اندازه بسیار کوچک، این ماشینها قادرند با استفاده از پنلهای خورشیدی بسیار ریز، انرژی را به یک میدان الکتریکی تبدیل کنند، مشروط بر اینکه درون یک محلول قرار گیرند. این میدان الکتریکی یونهای اطراف را به حرکت درمیآورد و یونها نیز با جابهجا کردن مولکولهای آب اطراف، ربات را به جلو میرانند. این رباتها تنها به حرکت رو به جلو و عقب محدود نیستند؛ با تنظیم میدان الکتریکی، هر ربات میتواند بهتنهایی یا بهصورت هماهنگ و در الگوهای پیچیده، مشابه حرکت یک دسته ماهی، جابهجا شود.
این ماشینها هیچ قطعه متحرکی ندارند و کاملاً به سیگنالهای الکترونیکی متکی هستند. همین ویژگی آنها را در مقایسه با رباتهای بزرگتر و پیچیدهتر، بسیار بادوامتر میکند. با شارژهایی که از طریق یک LED تأمین میشود، این رباتها میتوانند برای ماهها به شنا کردن ادامه دهند. با این حال، مقرونبهصرفه بودن و خلاقیت بهتنهایی کافی نیست، زیرا اگر یک ماشین نتواند کاری انجام دهد، عملاً بیفایده است. رباتهای میکروسکوپی باید قادر به انجام مأموریت باشند و این امر مستلزم برنامهریزی است؛ موضوعی که بار دیگر مسئله اندازه را به میان میکشد.
کوچکسازی رایانهها اساساً به فضای در دسترس مربوط میشود. هرچه رایانه کوچکتر باشد، فضای کمتری برای منابع انرژی، حافظه و مدارها وجود دارد. بهطور طبیعی، این مسئله چالشی جدی برای طراحان ایجاد کرد.
دیوید بلاو، مهندس دانشگاه میشیگان، توضیح داده است که چالش اصلی در بخش الکترونیک این است که پنلهای خورشیدی بسیار کوچک هستند و تنها ۷۵ نانووات توان تولید میکنند؛ مقداری که بیش از ۱۰۰۰۰۰ برابر کمتر از توان مصرفی یک ساعت هوشمند است. به همین دلیل، تیم پژوهشی ناچار شد دستورالعملهای برنامهنویسی رایانه را بهطور کامل بازاندیشی کند و آنچه در حالت معمول به چندین دستور برای کنترل حرکت نیاز داشت، در قالب یک دستور ویژه و فشرده پیادهسازی نماید.
نسخههای کنونی این رباتهای میکروسکوپی به حسگرهایی مجهز هستند که میتوانند دما را با دقتی در حد یکسوم درجه سلسیوس تشخیص دهند. از نظر تئوریک، این قابلیت به یک ازدحام از رباتها اجازه میدهد که درون یک محلول به سمت نواحی گرمتر حرکت کنند؛ نواحیای که اغلب نشانهای از فعالیت سلولی هستند، و سپس وضعیت سلامت تکتک سلولها را گزارش دهند. اما مسئله اندازه همچنان پابرجاست: برای انتقال نتایج به طراحان، روش ارتباطی باید آنقدر ساده باشد که بتوان آن را در ابعاد یک دانه شن رمزگذاری کرد. در اینجا الهام از طبیعت راهگشا بوده است.
به گفته دیوید بلاو، این شیوه ارتباط بسیار شبیه روشی است که زنبورهای عسل برای ارتباط با یکدیگر به کار میبرند. برای گزارش اندازهگیریهای دما، تیم پژوهشی یک دستور ویژه رایانهای طراحی کرده است که مقدار مورد نظر، مانند دمای اندازهگیریشده، را در قالب لرزشها و حرکات رقصمانندی که ربات انجام میدهد رمزگذاری میکند. سپس پژوهشگران با استفاده از یک میکروسکوپ مجهز به دوربین، این حرکات را مشاهده کرده و از روی الگوی لرزشها، پیام رباتها را رمزگشایی میکنند.
با وجود آنکه این رباتهای بسیار کوچک همین حالا نیز دستاوردی چشمگیر به شمار میروند، مارک میسکین و دیوید بلاو امیدوارند که این تنها آغاز یک حوزه کاملاً جدید از امکانات باشد. ادامه بهبودها و آزمایشها میتواند به ساخت رباتهایی سریعتر و پیچیدهتر منجر شود که به حسگرهای بیشتری مجهز هستند و میتوانند در محیطهای هرچه دشوارتر مانور دهند.
به باور میسکین، این پژوهش نشان داده است که میتوان یک مغز، یک حسگر و یک موتور را در چیزی تقریباً نامرئی جای داد و انتظار داشت که برای ماهها دوام بیاورد و بهدرستی کار کند. هنگامی که چنین زیربنایی فراهم شود، میتوان لایههای گوناگونی از هوشمندی و کارکردهای پیشرفته را بر آن افزود.
