طور العلماء مادة جديدة غريبة يمكنها التحول بسرعة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة. أظهر الباحثون إمكانات ابتكارهم الجديد من خلال محاصرة روبوت مصغر مصنوع من المادة في قفص. ثم جعله يهرب. باستخدام قوة المغناطيس، يمكن للروبوت الذي يشبه مكعبات الليجو أن يحول نفسه إلى سائل ويمر عبر قضبان القفص، قبل إعادة تشكيله.
الروبوتات المصنوعة
ويقول الباحثون إن الروبوتات المصنوعة من مواد مماثلة يمكن استخدامها يومًا ما في الطب الحيوي. كوسيلة جديدة لتوصيل الأدوية أو إزالة الأجسام الغريبة في الأماكن التي يصعب الوصول إليها مثل المعدة.
هذا مقطع فيديو لروبوت على شكل شخص يتحول إلى سائل للهروب من القفص وبعد ذلك يتم استخراجه وإعادة تشكيله مرة أخرى إلى شكله الأصلي.
روبوت متغير الشكل
حظيت الروبوتات المصغرة التي تعمل بالمغناطيس باهتمام متزايد خلال السنوات القليلة الماضية. إن الروبوتات الدقيقة والنانوية القادرة على التنقل في جسم الإنسان من شأنها أن تفتح الباب أمام عدد لا يحصى من التطورات المحتملة في الطب الشخصي والدقيق.
من الصعب تقليص أدوات التحكم وأنظمة التشغيل التقليدية لتناسب إطارات هذه الروبوتات الضئيلة. وهنا يأتي دور التشغيل المغناطيسي. تعتبر المجالات المغناطيسية آمنة للأنسجة البيولوجية ولا تتطلب تدخلاً جراحيًا كبيرًا. بينما توفر أيضًا مستويات عالية من إمكانية التحكم حتى في هذه المقاييس الصغيرة.
اللدائن المغناطيسية الصلبة
ولكن هذا هو المكان الذي واجه فيه الباحثون مشكلة أخرى. حاليًا، تميل الروبوتات التي يتم تشغيلها مغناطيسيًا إلى أن تكون مصنوعة من اللدائن المغناطيسية الصلبة. والتي يمكن أن تكون صلبة جدًا ولا تقدم سوى القليل من حيث القدرة على التكيف المورفولوجي. وتتغلب أنظمة المواد السائلة البديلة على هذه العقبة. ولكن على حساب قوة ميكانيكية منخفضة للغاية.
مستوحاة من خيار البحر – وهو مخلوق في أعماق البحار يمكنه تغيير صلابة جسمه لتحمل الأضرار الخارجية وتحسين قدرته على تحمل الوزن – شرع الباحثون في إنشاء روبوت يمكنه بالمثل ضبط صلابة جسمه. لمعرفة ما إذا كان يمكن استخدامها لهذه التطبيقات.
وقال رئيس الدراسة الدكتور تشينجفنج بان ، الذي كان آنذاك مهندسًا في الجامعة الصينية في هونغ كونغ ويعمل الآن أستاذًا مساعدًا في الهندسة الميكانيكية في جامعة تشجيانغ: “إن منح الروبوتات القدرة على التبديل بين الحالة السائلة والصلبة يمنحها المزيد من الوظائف”.
وقال بان: “الآن، نحن ندفع نظام المواد هذا بطرق أكثر عملية لحل بعض المشاكل الطبية والهندسية المحددة للغاية”.
الجزيئات المغناطيسية تصنع بركا من الروبوتات
إن مفتاح إنشاء الروبوت الخاص بالفريق هو مادة جديدة متغيرة الطور. يطلق عليها اسم “المادة الانتقالية للطور المغناطيسي” (MPTM). وتتكون المادة من جزيئات مغناطيسية دقيقة من النيوديميوم والحديد والبورون مدمجة في الغاليوم. وهو معدن ذو نقطة انصهار تبلغ 29.8 درجة مئوية فقط.
قال البروفيسور كرمل مجيدي ، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة كارنيجي ميلون والمؤلف الرئيسي للدراسة: “للجزيئات المغناطيسية هنا دوران” . “أحدها هو أنها تجعل المادة تستجيب للمجال المغناطيسي المتناوب، بحيث يمكنك، من خلال الحث، تسخين المادة والتسبب في تغيير الطور. لكن الجزيئات المغناطيسية تمنح الروبوتات أيضًا القدرة على الحركة والقدرة على التحرك استجابةً للمجال المغناطيسي.
كما أن المواد المتغيرة الطور في حد ذاتها ليست جديدة؛ لكن الخيارات الحالية لها طور سائل لزج إلى حد ما وتميل إلى الاعتماد على التيارات الكهربائية أو المسدسات الحرارية أو غيرها من مصادر الحرارة الخارجية لتحفيز تغيير الطور. مع MPTM، يتدفق الطور السائل بسهولة أكبر ويمكن التحكم في كل شيء عن طريق المجال المغناطيسي.
أظهرت الاختبارات الفيزيائية أن مادة MPTM تتمتع بقوة ميكانيكية عالية (21.2 ميجا باسكال) وصلابة (1.98 جيجا باسكال) في مرحلتها الصلبة، مما يعني أنها تتطلب قوى عالية لتشويه المادة أو كسرها بشكل لا رجعة فيه. ويمكنه أيضًا تحمل أحمال تصل إلى 30 ضعف وزنه. في مرحلته السائلة، يمكن للروبوت MPTM أن يتدفق بسرعة تصل إلى 15 سم في الثانية.
مجالات استخدام الروبوت في حياتنا
كما هو موضح في الفيديو أعلاه، يمكن للروبوت أن يتنقل بسرعة بين مرحلته الصلبة والسائلة للهروب من المساحات الضيقة. وأظهرت اختبارات الحركة والقوة الإضافية التي أجراها فريق البحث أيضًا أن الروبوت يتحول إلى شكله السائل لتسلق الجدران وينقسم إلى نصفين يمكنهما العمل معًا لتحريك الأشياء قبل الاندماج معًا مرة أخرى.
وبعيدًا عن مسار الاختبار هذا، بدأ الباحثون أيضًا في فحص بعض حالات الاستخدام العملي الأخرى لإنشاء الروبوت الخاص بهم. كان أحد هذه الاختبارات عبارة عن اختبار هندسي، حيث عمل الروبوت كنوع من “المسمار العالمي” – حيث ينصهر في شكله السائل لملء مقبس المسمار، قبل أن يتصلب ليصبح برغيًا صلبًا. ويقترحون أيضًا إمكانية استخدام الروبوتات كروبوتات لحام ذكية لتجميع الدوائر اللاسلكية، من خلال النفاذ إلى الدوائر التي يصعب الوصول إليها والعمل كجندي معدني وموصل كهربائي.
روبوت داخل معدة نموذجية
اختبارات طبية حيوية أخرى تستخدم الروبوت داخل معدة نموذجية، مما يوضح كيف يمكن تحريك الروبوت من خلالها باستخدام المجال المغناطيسي. داخل معدة النموذج، تمكن الروبوت من الذوبان في شكله السائل لاحتجاز الحطام الغريب وإخراجه من العضو. ويمكن للروبوت أيضًا أن يفعل العكس، حيث يقوم بتوصيل الأدوية عن طريق الذوبان لإسقاط حمولتها قبل إعادة تصلبها للخروج من المعدة.
وقال مجيدي: “يجب أن يستكشف العمل المستقبلي كيفية استخدام هذه الروبوتات في سياق الطب الحيوي”. “ما نعرضه هو مجرد عروض توضيحية لمرة واحدة، وإثباتات للمفهوم، ولكن ستكون هناك حاجة إلى مزيد من الدراسة للتعمق في كيفية استخدام هذا فعليًا لتوصيل الأدوية أو لإزالة الأجسام الغريبة.”
اقرأ أيضًا:
ما هو مستقبل الحياة الرقمية بعد 20 عامًا؟