در دنیای رباتیک، همیشه تصویری غالب از ماشین‌هایی پر از سیم، تراشه و مفاصل سخت وجود داشته است. اما امروز، این تصویر در حال تغییر است – به معنای واقعی کلمه، به سمت چیزی انعطاف‌پذیرتر.
مهندسان آزمایشگاه رباتیک الهام‌گرفته از زیست‌شناسی در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو نوع جدیدی از ربات را توسعه داده‌اند که بدون نیاز به قطعات الکترونیکی قادر به راه رفتن است.
این ربات نیازی به قطعات الکترونیکی یا سخت ندارد. حتی نیازی به مونتاژ چندین ماده مختلف هم نیست. می‌توان آن را تنها با یک نوع فیلامنت نرم و یک چاپگر سه‌بعدی معمولی چاپ کرد. تنها چیزی که نیاز دارد، یک کارتریج ساده از گاز فشرده است – و سپس ربات راه می‌رود.
این نوآوری، تغییری بزرگ در نحوه طراحی و تصور ماشین‌ها ایجاد کرده است. برای اولین بار، ربات‌ها می‌توانند سریع، ارزان و تقریباً در هر جایی ساخته شوند. آن‌ها قادرند در محیط‌هایی که الکترونیک از کار می‌افتد، فعالیت کنند و در شرایط سخت مستقر شوند – همه این‌ها بدون نیاز به اسکلت فلزی یا باتری.
ربات‌های چاپ سه‌بعدی که با هوا راه می‌روند
محققان این پروژه عمداً از پیچیدگی اجتناب کردند. به جای استفاده از ابزارهای گران‌قیمت یا مواد کمیاب، آن‌ها از یک چاپگر رومیزی و فیلامنتی رایج استفاده کردند. هدفشان این بود که ربات‌های راه‌رونده را تا حد ممکن در دسترس قرار دهند.
نتیجه؟ یک ربات کامل و فعال با هزینه‌ای تنها ۲۰ دلار!
مایکل تولی، استاد مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو و نویسنده ارشد این پژوهش، می‌گوید:
“این یک نگاه کاملاً متفاوت به ساخت ماشین‌هاست.”
رباتی که آن‌ها توسعه داده‌اند برای راه رفتن نیازی به مدارهای الکترونیکی ندارد. یک کارتریج گاز فشرده، فشار را به ساختارهای نرم داخل بدن ربات هدایت می‌کند.
این حرکت مبتنی بر هوا، جایگزین موتورها و سیم‌ها شده است. رویکردی مینیمالیستی که امکان استفاده از ربات‌ها را در مکان‌هایی که سیستم‌های الکترونیکی معمولاً از کار می‌افتند، فراهم می‌کند.
چرا یک ربات نرم مهم است؟
در بسیاری از محیط‌های پرخطر – مانند مناطق رادیواکتیو، محل‌های فاجعه‌دیده، یا فضا – الکترونیک اغلب از کار می‌افتد. آن‌ها ممکن است اتصال کوتاه شوند، بیش از حد گرم شوند یا آسیب ببینند. اما اینجاست که این ربات‌های نرم برتری دارند. چون هیچ قطعه فلزی یا مدار الکترونیکی ندارند، به‌طور طبیعی در برابر شرایط سخت مقاوم هستند.
تیم دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو این ربات‌ها را هم در آزمایشگاه و هم در محیط بیرون آزمایش کرد. در داخل آزمایشگاه، ربات‌ها به مدت سه روز کامل بدون توقف راه رفتند. تنها چیزی که نیاز داشتند، تأمین مداوم گاز فشرده بود.
در خارج از آزمایشگاه، ربات از طریق یک کارتریج کوچک گاز کار کرد و نشان داد که می‌تواند در زمین‌های ناهموار حرکت کند. این ربات از روی شن، چمن و حتی زیر آب راه رفت. اندام‌های انعطاف‌پذیر آن به‌راحتی با سطوح مختلف سازگار شدند.
این سازگاری، همراه با هزینه پایین تولید، این ربات‌ها را برای مأموریت‌های امدادی و اکتشافی ایده‌آل می‌سازد. آن‌ها به‌راحتی خراب نمی‌شوند، قطعات حساس ندارند، و می‌توانند در صورت نیاز چاپ شوند.
یک ربات نرم در یک چاپ واحد
ماده‌ای که برای ساخت این ربات‌ها استفاده شده است، چیز خاصی نیست – فقط فیلامنت رایج چاپ سه‌بعدی.
اما آنچه این فناوری را ویژه می‌کند، نحوه استفاده از این ماده است. تیم تحقیقاتی سیستمی ایجاد کرده که در آن هر قسمت از ربات، از جمله ماهیچه‌ها و کنترل‌کننده، از همان ماده نرم و در یک چاپ واحد ساخته می‌شود. این یعنی نیازی به مونتاژ نیست.
مایکل تولی توضیح می‌دهد:
“این ربات‌ها با هیچ‌یک از اجزای سخت سنتی که معمولاً در تحقیقات رباتیک استفاده می‌شود، ساخته نشده‌اند.”
به جای موتور، این ربات از عملگرهای نرم استفاده می‌کند. این عملگرها با تغییر فشار هوا منبسط و منقبض می‌شوند و حرکت راه‌رفتن را ایجاد می‌کنند. مهندسان همه‌چیز را طوری طراحی کردند که تنها با هوا و انعطاف‌پذیری کار کند.
این طراحی سنت‌های چندین دهه‌ای مهندسی را زیر پا گذاشته است. اما این فقط یک آزمایش نیست – بلکه یک ماشین کاربردی است که آینده رباتیک را بازتعریف می‌کند.
چگونه این ربات راه می‌رود؟
راه رفتن شاید ساده به نظر برسد، اما هماهنگ‌سازی حرکت در یک ربات پیچیده است. بدون الکترونیک، تیم دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو از سیستم‌های نیوماتیکی استفاده کرد. آن‌ها یک مدار نرم نوسانی طراحی کردند که مانند موتورهای بخار قدیمی عمل می‌کند.
برای حرکت دادن شش پای ربات، این مدار فشار هوا را بین دو مجموعه از سه پا به‌طور متناوب جابه‌جا می‌کند. این عمل ریتمیک، حرکت رو به جلو را ایجاد می‌کند. پاها در چهار جهت – بالا، پایین، جلو و عقب – حرکت می‌کنند و به ربات کنترل متعادلی می‌دهند. حتی روی زمین‌های ناهموار هم می‌تواند مستقیم حرکت کند.
ییچن ژای، پژوهشگر ارشد این پروژه، می‌گوید:
“ما با ساخت رباتی که کاملاً به‌تنهایی راه می‌رود، یک گام بزرگ رو به جلو برداشته‌ایم.”
آنچه این ربات را متمایز می‌کند این است که کل سیستم کنترلی آن نیز نرم است. نیازی به تراشه یا کدنویسی ندارد. ربات فقط به تغییرات فشار هوا واکنش نشان می‌دهد – مانند یک سیستم زنده بدون سیستم عصبی.
حرکتی به‌سوی آینده‌ای سبزتر
این تیم در مسیر توقف نخواهد کرد. هدف بعدی آن‌ها این است که ربات را کاملاً خودکفا کنند. این یعنی یافتن راهی برای ذخیره گاز فشرده در داخل بدن ربات، تا آن را از وابستگی به منابع خارجی رها کند.
آن‌ها همچنین در حال بررسی استفاده از مواد پایدار هستند. به‌کارگیری فیلامنت‌های قابل بازیافت یا زیست‌تجزیه‌پذیر، اثرات زیست‌محیطی این ربات‌ها را کاهش می‌دهد. این موضوع آن‌ها را برای استفاده‌های کوتاه‌مدت در مناطق پرخطر، که بازیابی ربات‌ها دشوار است، بسیار مناسب می‌کند.
یکی دیگر از گام‌های مهم، افزودن دست‌ها و ابزارهای کنترلی به این ربات‌هاست. این ویژگی‌ها می‌توانند به ربات‌ها امکان دهند تا با محیط اطراف خود تعامل داشته باشند – زباله‌ها را جمع کنند، دکمه‌ها را فشار دهند یا حتی اشیا و ارگانیسم‌ها را نجات دهند.
از آزمایشگاه تا دنیای واقعی
ساخت این ربات نیازمند همکاری بود. تیم تحقیقاتی با شرکت BASF و اتحادیه پژوهشی کالیفرنیا (CARA) همکاری کرد تا مواد نرم مختلف را آزمایش کند.
این پژوهش با حمایت مالی بنیاد ملی علوم (NSF) انجام شد و به تیم کمک کرد تا آزمایش‌های عملی، کاربردهای واقعی، و انتشار گسترده‌تر فناوری خود را دنبال کند.
این مطالعه در مجله “سیستم‌های هوشمند پیشرفته” منتشر شده است.
