تصور کنید رباتی داشته باشید که آنقدر ریز است که با یک پلک زدن ممکن است گمش کنید؛ اما با همین ابعاد میتواند «حس کند، فکر کند و عمل کند». مهندسان میگویند این همان اتفاقی است که با کوچکترین ربات برنامهپذیر جهان افتاده؛ یک میکروربات خودران که در مایع حرکت میکند و در عین کوچکی، یک کامپیوتر واقعی را در دل خود جا داده است.
این ربات که حاصل همکاری پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا و دانشگاه میشیگان است، به گفته تیم سازنده، کوچکترین پلتفرم برنامهپذیرِ خودمختار در جهان به شمار میرود که میتواند در محیطهای سیال (مثل آب و محلولها) حرکت کند. نکته چشمگیرتر اینجاست که حجم آن نسبت به طراحیهای پیشین، حدود ۱۰ هزار برابر کوچکتر شده است؛ عددی که در دنیای رباتیک میکروسکوپی بهمعنای عبور از یک مرز تاریخی است.
وقتی «کامپیوتر واقعی» روی نوک اثر انگشت جا میشود
تا امروز، کوچکترین رباتهای خودران و برنامهپذیر معمولاً بیش از یک میلیمتر اندازه داشتند. اما در این پروژه، پژوهشگران ادعا میکنند برای نخستینبار توانستهاند یک کامپیوتر کامل شامل پردازنده، حافظه، حسگرها و سامانه پیشرانش را در ابعادی جا دهند که حتی یک ککومک از آن بزرگتر است. اندازه این ربات تقریباً همقد یک دانه نمک است و حتی میتواند روی شیارهای اثر انگشت تعادل پیدا کند.
ابعاد دقیق آن حدود ۲۰۰ در ۳۰۰ میکرومتر با ضخامت ۵۰ میکرومتر گزارش شده؛ یعنی روی یک سکه پِنی، از تاریخ حکشده روی سکه هم کوچکتر دیده میشود. به زبان ساده: اگر دنبال کردنش با چشم سخت است، حق دارید.
چطور با فقط ۱۰۰ نانووات، حس میکند و حرکت میکند؟
با وجود اندازه فوقالعاده کوچک، سازندگان میگویند این پلتفرم کاملاً برنامهپذیر است؛ البته یک شرط مهم دارد: فعلاً فقط وقتی درون مایع قرار بگیرد کار میکند. انرژی ربات از سلولهای خورشیدی میآید که حدود ۱۰۰ نانووات توان تولید میکنند؛ توان بسیار ناچیزی که همین موضوع، اهمیت طراحی کممصرف پردازنده و مدارها را چند برابر میکند.
یکی از نمایشهای جذاب این ربات، اندازهگیری دمای مایع اطرافش است. اما چطور داده را «ارسال» میکند؟ با یک ترفند الهامگرفته از طبیعت: حرکات ریتمیک و کوچک شبیه «رقص»، درست مانند روشی که زنبورهای عسل برای انتقال پیام به هم استفاده میکنند. این یعنی میکروربات نهتنها حسگر دارد، بلکه یک راه ارتباطی ساده و قابل مشاهده هم پیادهسازی کرده است.
مشکل رباتیک در مقیاس میکرومتر: آب مثل قیر میشود
کوچک کردن رباتها فقط به ظریفتر کردن قطعات محدود نمیشود. در مقیاس میکرومتر، قوانین فیزیک آنطور که ما در زندگی روزمره میشناسیم عمل نمیکنند. اینجا دیگر گرانش و اینرسی «قهرمان» اصلی نیستند؛ نیروهایی مثل کشش (درَگ) و گرانروی (ویسکوزیته) کنترل را به دست میگیرند. همانطور که مارک میسکین، مهندس نانورباتیک از دانشگاه پنسیلوانیا توضیح میدهد: وقتی به اندازه کافی کوچک شوید، هل دادن آب شبیه هل دادن قیر است.
برای عبور از این بنبست، تیم پژوهشی دو دستاورد جدید را کنار هم گذاشت: یک کامپیوتر میکروسکوپی توسعهیافته در دانشگاه میشیگان و یک سیستم پیشرانش ویژه از دانشگاه پنسیلوانیا.
پیشرانش بدون قطعه متحرک؛ رودخانهای که ربات خودش میسازد
در این میکروربات خبری از پا، باله یا بازوهای ریز نیست؛ چون ساخت چنین اجزایی در این مقیاس دشوار است و خیلی راحت میشکنند. در عوض، پیشرانش با ایجاد یک میدان الکتریکی انجام میشود که باعث شکلگیری جریان مولکولی اطراف بدنه ربات میشود. توصیف تیم سازنده جالب است: انگار ربات در یک رودخانه در حال حرکت قرار دارد، اما همزمان خودش هم همان رودخانه را به جریان میاندازد.
همین رویکرد بدون قطعه متحرک، علاوه بر کاهش ریسک خرابی، امکان ساخت انبوهتر و قابلاعتمادتر را هم افزایش میدهد؛ چیزی که برای آینده رباتهای میکروسکوپی حیاتی است.
گام بعدی: گروههای هماهنگ مثل دسته ماهیها
به گفته دیوید بلاوو، دانشمند علوم کامپیوتر در دانشگاه میشیگان، جا دادن یک کامپیوتر روی چنین سطح کوچکی، نیازمند بازنگری جدی در برنامهنویسی و طراحی مدارهای نیمهرسانا بوده است. حاصل این بازنگری، میکرورباتی است که ساختش پنج سال زمان برده و میتواند با نمونههای دیگر همگام شود؛ نتیجه، شکلگیری گروههای متحرک و هماهنگ شبیه دستههای ماهی است.
از نظر تئوری، اگر این رباتها از طریق نور LED روی پنل خورشیدیشان شارژ شوند، چنین گروههایی میتوانند ماهها بهصورت خودمختار کار کنند. پژوهشگران همچنین امیدوارند با پیشرفتهای بعدی، ظرفیت حافظه روی دستگاه را افزایش دهند تا برنامهریزی پیچیدهتر و در نهایت، رفتارهای خودران پیشرفتهتری ممکن شود.
و آینده؟ شاید روزی همین دستگاههای میکروسکوپی، نگهبان سلامت سلولی بدن ما شوند؛ رباتهایی که در مایعات بدن حرکت میکنند، تغییرات دما یا نشانههای زیستی را رصد میکنند و قبل از آنکه مشکلی جدی شود، هشدار میدهند. از رباتهای کوچک، امکانهای بزرگ متولد میشود.
