امروزه بیشتر رباتها با هدفی مشخص طراحی میشوند. پس از ساخت، همان وظیفه را تا پایان عمر خود انجام میدهند. برای مثال، یک بازوی رباتیک ممکن است برای گرفتن، بلند کردن یا دستهبندی اشیا ساخته شود، اما دامنه حرکات آن از همان ابتدا تعیین شده است.
اگر نیاز کاری تغییر کند، مهندسان معمولاً باید کل دستگاه را از پایه بازطراحی کنند. این فرایند زمانبر، پرهزینه، نیازمند تلاش فراوان است.
اکنون نوعی عضله مصنوعی نسل جدید در حال تغییر این دیدگاه است. این فناوری تنها به یک نقش محدود نمیشود. میتواند شکل خود را تغییر دهد، پس از آسیبدیدگی خود را ترمیم کند، حتی در دستگاهی دیگر دوباره مورد استفاده قرار گیرد. چنین انعطافی میتواند شیوه طراحی و استفاده از رباتها را در زندگی روزمره متحول کند.
مواد سازنده عضلات مصنوعی پیشرفته
این سامانه جدید بر پایه فناوریای به نام محرک الاستومری دیالکتریک یا DEA ساخته شده است. این مواد نرم، هنگام عبور جریان الکتریکی حرکت میکنند.
در حال حاضر نیز از این فناوری در قابلیتهای لرزشی دستگاههای پوشیدنی، همچنین در گیرههای نرم رباتیک برای جابهجایی اقلام حساس مانند میوه استفاده میشود.
تفاوت اصلی در ماده ویژهای است که به این محرک اضافه شده است. این ماده در دمای اتاق مانند یک جسم جامد رفتار میکند، اما در برابر گرما یا میدانهای مغناطیسی به حالتی شبیه مایع درمیآید. این تغییر حالت به ماده اجازه میدهد در زمان کار دستگاه، حرکت کند و شکل خود را بازآرایی کند.
رهایی از طراحیهای ثابت در رباتیک نرم
عضلات مصنوعی سنتی به الگوهای ثابت الکترودی وابسته هستند. پس از چاپ این الگوها، دیگر امکان تغییر آنها وجود ندارد.
این محدودیت باعث میشود توانایی ربات کاهش یابد. اگر لازم باشد با شکل جدیدی کار کند یا حرکت متفاوتی انجام دهد، کل سامانه باید دوباره طراحی شود.
اما محرک جدید این محدودیت را از میان برداشته است. الکترود آن میتواند تقسیم شود، ادغام شود، در سه بعد حرکت کند. حتی در حین کار نیز موقعیت خود را تغییر دهد. این یعنی یک ربات میتواند بدون نیاز به بازسازی کامل، وظایف متفاوتی را انجام دهد.
این انعطافپذیری در محیطهای واقعی اهمیت زیادی دارد. برای مثال، رباتی که در کارخانه فعالیت میکند ممکن است نیاز داشته باشد بین حرکات گرفتن، خم شدن، گسترش یافتن جابهجا شود. بهجای تعویض قطعات یا استفاده از چند دستگاه مختلف، میتواند در همان لحظه خود را تطبیق دهد.
خودترمیمی؛ آیندهای هوشمند برای عضلات مصنوعی
آسیبدیدگی یکی از مشکلات جدی در رباتیک است. قطع شدن سیم یا خرابی الکتریکی میتواند یک دستگاه را بهطور کامل از کار بیندازد. این سامانه جدید رویکرد متفاوتی دارد.
اگر بخشی از الکترود آسیب ببیند، ماده در همان ناحیه به حالتی شبهمایع تبدیل میشود. سپس قسمتهای جداشده را دوباره متصل میکند یا مسیر جدیدی برای عبور جریان ایجاد میکند. در نتیجه، ربات بهجای توقف کامل، به کار خود ادامه میدهد.
این قابلیت، عمر مفید سامانه را افزایش میدهد. همچنین زمان توقف دستگاه را کاهش میدهد؛ موضوعی که در محیطهای صنعتی، جایی که هر تأخیر میتواند هزینهبر باشد، اهمیت زیادی دارد.
قابلیت استفاده مجدد و پایداری بیشتر
یکی دیگر از ویژگیهای برجسته این فناوری، قابلیت بازیافت و استفاده دوباره از ماده الکترودی است. هنگامی که عمر یک دستگاه به پایان میرسد، این ماده میتواند به شکل مایع استخراج شود و در سامانهای جدید مورد استفاده قرار گیرد.
آزمایشها نشان دادهاند که حتی پس از چندین چرخه استفاده مجدد، سامانه حدود ۹۱ درصد نرخ بازیابی را حفظ کرده و همچنان عملکردی پایدار ارائه میدهد.
این مسئله راه را برای رباتیک پایدارتر باز میکند؛ جایی که قطعات بهجای دور انداخته شدن، دوباره وارد چرخه استفاده میشوند.
گامی بهسوی ماشینهای سازگار و تطبیقپذیر
این پژوهش ترکیبی از علم مواد، مهندسی مکانیک است. ماده مورد استفاده باید هم پایدار باشد، هم انعطافپذیر. در عین حال، سامانه باید ثابت میکرد که میتواند در شرایط واقعی حرکت کند، تغییر شکل دهد، پس از آسیب بازیابی شود.
نتیجه، یک محرک واحد است که بسته به شرایط میتواند چندین نقش مختلف را بر عهده بگیرد. این یعنی عبور از رباتهایی که تنها برای یک کار ساخته میشوند، بهسمت ماشینهایی که در صورت نیاز خود را تنظیم میکنند.
یکی از نویسندگان این پژوهش، «جونگ-یون سان» استاد دانشکده مهندسی دانشگاه ملی سئول، اعلام کرد این مطالعه یک جهش بزرگ در تبدیل الکترودهای سنتی و ایستا به «عناصر زنده و برنامهپذیر» محسوب میشود.
به گفته او، این فناوری خودترمیمی و بازآراییپذیر، پایهای کلیدی برای نسل آینده رباتهای نرم و پایدار خواهد بود.
کاربردهای آینده عضلات مصنوعی هوشمند
تأثیر این فناوری میتواند در حوزههای مختلف دیده شود. رباتهای نرم خواهند توانست بدون نیاز به بازطراحی مداوم، وظایف پیچیدهتری انجام دهند.
دستگاهها ممکن است در شرایط سخت، از جمله محیطهای دارای فشار الکتریکی یا آسیب فیزیکی، هنگام کار خود را ترمیم کنند.
همچنین امکان توسعه نمایشگرهای جدیدی وجود دارد که در زمان واقعی شکل خود را تغییر میدهند. عضلات مصنوعی میتوانند به حرکاتی نزدیکتر به بدن انسان دست پیدا کنند و پیچیدگی حرکتی بیشتری ارائه دهند.
اما تحول اصلی در نحوه ساخت و نگهداری ماشینها خواهد بود. بهجای سیستمهای ثابت و یکبارمصرف، شاهد سامانههایی خواهیم بود که تطبیق پیدا میکنند، بازیابی میشوند، در طول زمان به کار خود ادامه میدهند.
نتایج کامل این پژوهش در نشریه علمی Science Advances منتشر شده است.
جمعبندی
عضلات مصنوعی نسل جدید، آینده رباتیک را به سمت ماشینهای هوشمند، خودترمیمی، پایدار و چندمنظوره سوق میدهند.
اگر به فناوریهای آینده علاقهمند هستید، جدیدترین نوآوریهای رباتیک را دنبال کنید و از تحولات این صنعت عقب نمانید.
