صمم باحثون من جامعة هارفارد مادة جديدة قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد، تستجيب للضوء، ويمكن استخدامها لصنع آلات تتحرك دون أي إلكترونيات.
هذه “الروبوتات الناعمة” أو “الآلات الناعمة” مصنوعة من مادة جديدة تسمى المطاط الصناعي البلوري السائل، ومدمجة مع قضبان نانوية ذهبية. حتى الآن، نجح الباحثون في استخدام مادتهم لطباعة أسطوانات يمكنها التدحرج، و”زواحف” تتحرك للأمام، وهياكل شبكية تتأرجح عند تعرضها لضوء الليزر.
يقول الباحثون، إن الروبوتات المصنوعة من مواد مثل هذه يمكن استخدامها يومًا ما لاستكشاف الكهوف أو البيئات الأخرى التي يكون الذهاب إليها غير آمن للبشر. حيث تم وصف المادة الجديدة في دراسة جديدة نشرت في مجلة Matter .
حبر قابل للطباعة سريع الاستجابة
البلورات السائلة هي حالة غريبة من المادة. وهي مكونة من جزيئات مترابطة قليلاً تتدفق مثل السوائل بشكل طبيعي، ولكن عندما يسمح لها بالاستقرار، فإنها تتكدس بشكل دوري في ترتيب بلوري مثل المواد الصلبة.
تعمل مواد المطاط الصناعي البلوري السائل (LCE) بطريقة مماثلة، وذلك باستخدام هياكل الكريستال السائل المدمجة في شبكة المطاط الصناعي القابلة للتمدد. هذا الهيكل غير العادي يمكن أن يمنح المادة بعض الخصائص غير المتوقعة.
في السابق، تم استخدام مواد LCE لصنع ألياف النسيج التي تتفاعل مع الحرارة . عندما تسخن الألياف، تبدأ جزيئات الكريستال السائل في السقوط من المحاذاة وتسحب شبكة المطاط الصناعي إلى بعضها البعض، مما يتسبب في إحكام المنسوجات المنسوجة. قد يكون هذا مفيدًا للملابس المضغوطة أو غيرها من الملابس القابلة للتكيف.
الآن، يستخدم الباحثون مواد LCE مدمجة مع قضبان نانوية ذهبية لصنع “أحبار” قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد تتحرك استجابةً لضوء الليزر. في هذه الحالة، تكون حركة مادة LCE ناتجة عن عملية تسمى التشغيل الحراري الضوئي.
أوضحت الباحثة الرئيسية كايتلين كريكوريان (كوك) ، وهي مهندسة بوليمرات ورئيسة مجموعة في قسم هندسة المواد في جامعة هارفارد: “عندما يكون لديك هذه المادة المركبة – في هذه الحالة، هذه القضبان النانوية الذهبية في هذه المطاطية البلورية السائلة – يكون لها تأثير حراري ضوئي”. مختبر لورانس ليفرمور الوطني.
“مع الضوء [الأشعة تحت الحمراء]، فإنه يخلق تأثيرًا حراريًا، مما يتسبب في انحراف الجزيئات المحاذية. أثناء عملية المحاذاة الخاطئة هذه، إذا كان هناك تسخين منتظم، فسيكون لديك تغيير شامل في الشكل. لكن في هذه الحالة، يمكن أن يكون لدينا تغير موضعي في الحرارة، وهو كيف يمكنك جعل تلك المناطق المحلية من الشكل تتحول إلى القيام بأشياء مثل الحركة.
مواد جديدة للروبوتات الناعمة
وباستخدام مادة LCE المركبة الجديدة، بالإضافة إلى الليزر ونظام رؤية الكمبيوتر مع الكاميرات وبرامج التتبع، تمكن الباحثون من طباعة حركة الأسطوانة ثلاثية الأبعاد والتحكم فيها.
يقوم نظام التتبع بالكمبيوتر بمراقبة موضع الأسطوانة بشكل مستمر، وضبط شعاع الليزر حسب الحاجة لتحريك الأسطوانة والحفاظ على تقدمها بطريقة يمكن التحكم فيها.
وتمكن الباحثون أيضًا من طباعة بعض الآلات اللينة الأكثر تطورًا، بما في ذلك ورقة شبكية يمكن أن تتأرجح استجابةً لليزر وبعض “الزواحف” غير المتماثلة التي يمكن أن تتحرك للأمام.
وأظهر الفريق فائدة هذه الآلات في إنجاز المهام الأساسية، مثل قيام الأسطوانة المتحركة بنقل طول السلك أثناء تحركها.
ويقول الباحثون، إن هذه المواد يمكن أن تكون مفيدة في مجال “الآلات الناعمة” أو “الروبوتات الناعمة”. يهتم هذا المجال من الروبوتات بالروبوتات المصنوعة من مواد أكثر مرونة ومتوافقة من الأجزاء المعدنية أو البلاستيكية التقليدية. ويمكن أن تكون الروبوتات الناعمة مفيدة في المجال الطبي في الأجهزة القابلة للزرع والتي تنثني مع حركة الجسم الطبيعية أو لإنشاء أطراف صناعية متقدمة، على سبيل المثال.
قال المؤلف الأول للدراسة مايكل فورد ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة المواد عالية الأداء في مختبر لورانس ليفرمور الوطني: “ربما لا تكون الروبوتات الصلبة مثالية للبشر للتفاعل معها، لذلك نحن بحاجة إلى أنظمة ومواد أكثر امتثالاً”. . “نبدأ بالمكونات التي تشكل الروبوتات لدينا، وأحد هذه المكونات هو المحرك. وهنا يأتي دور هذه المواد؛ من المحتمل أن يكونوا فاعلين”.
“إنه يقلل من التعقيد الحسابي؛ أنت تصنع مادة تتخلص من الإلكترونيات الموجودة على متن الطائرة وتستبدلها بمادة واحدة يمكنها القيام بكل هذه الأشياء. “سيسمح لك ذلك بإضافة المزيد من التعقيد الحسابي إلى مكون آخر أو دفع الطاقة إلى أجهزة استشعار أخرى لم تكن لتتمكن من القيام بها باستخدام المواد الصلبة التقليدية.”
نحو مواد مستقلة وواعية
لا تزال هناك بعض التحديات الملحوظة التي يجب التغلب عليها قبل أن يتم استخدام مادة LCE الجديدة هذه في تطبيقات الروبوتات الأوسع. لاحظ الباحثون أن بعض الهياكل التي أنشأوها كانت تميل إلى الانقلاب أو التحرك بطريقة غير متوقعة، مما أدى إلى تعقيد الأمور عندما حاولوا تنفيذ تعليمات محددة للغاية. ويقولون إن بناء محاكاة حاسوبية أفضل لكيفية تحرك هذه المواد يمكن أن يساعد في إلغاء هذا الجانب.
ويأمل الفريق أن تسمح أنظمة التحكم وخوارزميات الكمبيوتر الجديدة لهذه الآلات الناعمة بالتفاعل مع بيئتها بطريقة أكثر ذكاءً.
«إننا جميعًا نفكر في طرق لجعل المواد أكثر استقلالية؛ قال كوك: “إنها مواد واعية يمكنها الإحساس والاستجابة والبرمجة والتعلم واتخاذ القرار والتواصل”. “هذه اللدائن البلورية السائلة عبارة عن مواد سريعة الاستجابة – فهي قادرة على استشعار المحفزات والاستجابة لها، وسوف تستجيب بشكل متكرر في كل مرة – ولكنها لا تملك إحساسًا بالذاكرة أو طريقة لتعلم المحفزات المتكررة والاستجابة وفقًا لذلك. ليس لديه وسيلة للتواصل بعد، بخلاف إمكانية إقرانه بنوع من الحوسبة الميكانيكية. هذه هي حقًا المواد التي نسعى جاهدين لتحقيقها، وقد يستغرق ذلك من خمس إلى عشر سنوات من الجهد.
اقرأ أيضًا: