النمساويون يبتكرون محركًا ناعمًا من مواد قابلة للتحلل البيولوجي
طوّر باحثون نمساويون عملية طباعة ثلاثية الأبعاد بالبثق تستخدم حبرًا قابلًا للتحلل البيولوجي عند تصميم أجسام معقدة ذات أبعاد ثابتة. يتكون الحبر الحيوي من هيدروجيل قائم على الجيلاتين، يتمدد إلى ستة أضعاف طوله الأصلي.
يَعِد ذلك بتطبيقات جديدة في الروبوتات الناعمة، ويفتح الباب أمام إنتاج خالٍ من النفايات. يستلهم مهندسو الروبوتات الناعمة الطبيعة عند تطوير أجهزة روبوتية تتفاعل مع البشر والكائنات الحية الأخرى. ومع ذلك، غالبًا ما تؤدي عملية تصنيع هذه الأجهزة إلى نفايات غير قابلة لإعادة التدوير.
علاوة على ذلك، لا تلبي طرق التصنيع التقليدية، مثل الصب في القوالب، متطلبات التطبيقات المعقدة للروبوتات الناعمة. وبالتالي، تتطلب التطورات في مجال الروبوتات الناعمة طرق تصنيع جديدة، إلى جانب تحسين الاستدامة البيئية.
مزايا الروبوتات الناعمة وتحدياتها
تختلف الروبوتات الناعمة عن الروبوتات الصلبة المستخدمة في بيئات الإنتاج الصناعي. واعتمادًا على محاكاة الطبيعة، تساعد الروبوتات الناعمة المصنوعة من مواد مرنة قابلة للتكيف البشر على حل مهام معقدة في الصناعة والرعاية الصحية والمجتمع.
ومع ذلك، تؤثر أجهزة الروبوتات الناعمة التي تستخدم أجهزة استشعار ومحركات تنفيذية تأثيرًا كبيرًا في البيئة. وفي هذا السياق، يُستحسن استخدام محركات للروبوتات الناعمة مصنوعة من مواد قابلة للتحلل البيولوجي.
جرت محاولات لإنتاج مكونات روبوتية ناعمة قابلة للتحلل البيولوجي باستخدام الهيدروجيلات والبوليسترات والبروتينات. غير أن طرق الصب في القوالب التقليدية تحد من درجة الحرية التي يمكن أن تحققها الروبوتات الناعمة الحديثة.
لذلك، تتطلب الأجهزة الروبوتية المعقدة التي تُدمج فيها أجهزة استشعار مرنة مناهج إنتاج جديدة، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد بالبثق.
طباعة الروبوتات القابلة للتحلل البيولوجي
طوّر فريق جامعة يوهانس كبلر في لينز بالنمسا طريقة للطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج محركات الروبوتات اللينة مع شبكات استشعار مدمجة. تعتمد طريقتهم على نمذجة الترسيب المنصهر (FDM)، حيث تُغذّى خيوط مستمرة من مادة هلامية حيوية عبر رأس بثق مُسخّن لتشكيل الجسم المطلوب. وأصغر حجم عنصر يمكن تحقيقه هو 0.6 ملم.
المواد الناعمة والمرنة ضرورية لتطوير المحركات الناعمة للروبوتات. وقد استُخدمت البوليمرات الحيوية، مثل السليلوز والألجينات والجيلاتين، لإنتاج مواد قابلة للتحلل البيولوجي للتطبيقات الهندسية. وطوّرت المجموعة النمساوية هيدروجيلا (هلاميًا حيويًا) قائمًا على الجيلاتين يتمتع بمرونة عالية (الحد الأقصى للتشوه 500%) لدراستها.
الجيلاتين شكل مُحلَّل مائيًا من الكولاجين، ويُستخدم عادةً في المنتجات الغذائية. وهو بوليمر عديم الطعم وعديم اللون مستخلص من أجزاء من أجسام الحيوانات. ونظرًا لتعدد استخداماته، يُستخدم في مجموعة واسعة من المهام الهندسية، بما في ذلك الهندسة النسيجية والألياف الضوئية.
جاءت خصائص المادة التي حققها الفريق النمساوي نتيجةً لإضافة الغليسرين وشراب السكر إلى الجيلاتين. كما تنظّم حمض الستريك نمو البكتيريا. ويتيح هذا التركيب المثالي التحلل الأنزيمي للمادة في مياه الصرف خلال بضعة أيام فقط، كما يمنحها مدة صلاحية تتجاوز عامًا في الظروف البيئية.
يمكن استخدام الهلام الحيوي لتصنيع محركات هوائية ناعمة بزوايا انحناء تصل إلى 74 درجة في أي اتجاه. كما يمكن إعادة استخدام الهلام الحيوي في الطباعة حتى خمس مرات.
درس الفريق تأثيرات التسخين والتخزين وإعادة الاستخدام على الهلاميات الحيوية. ولاحظوا انخفاض الحد الأقصى للتشوه في المادة إلى 470% بعد 24 ساعة، وهو ما يتفوق بنسبة 140% على الهلاميات الحيوية المصنوعة بطريقة الصب في القوالب.
يحافظ الهلام الحيوي الذي طوره الفريق على حد أقصى للتشوه يتجاوز 430% بعد 12 يومًا من التخزين في الظروف البيئية، وهو أعلى بكثير من 200% المطلوبة للتطبيقات في الروبوتات الناعمة.
طبع الباحثون النمساويون أيضًا موجهات موجية باستخدام الهلام الحيوي، تكشف التشوهات من خلال فقدان الضوء المار. وتمكنوا من ضبط معامل انكسار هذه الموجهات بتعديل محتوى الماء في الهلام الحيوي.
أخيرًا، طبع العلماء محركًا ثلاثي الحجرات (ارتفاعه 60 ملم وقطره 16.6 ملم). ومكّنت ثلاثة منظمات ضغط كهروهوائية، ومصدر ضغط واحد، وترتيب متوازٍ للتجاويف المنتفخة، من تحقيق حركة في جميع الاتجاهات.
بعد إنشاء خريطة ثنائية الأبعاد لحالات التشغيل وقيم الضغط المقابلة لها، تمكنوا من التحكم في الروبوت باستخدام وحدة تحكم ألعاب قياسية. وأظهر الفريق إمكانات الروبوت ببرمجة إجراء للبحث والتنظيف، بحيث يتمكن من اكتشاف العوائق وإزالتها.
ومن خلال دمج الموجهات الموجية القابلة للتمدد مع المحركات الناعمة، تمكن العلماء النمساويون من التحكم بدقة عالية في الانحناء والاتجاه وقياس القوة، مع خفض تكاليف الإنتاج وكمية النفايات.
يعتقد الباحثون أن تقنيتهم ستؤدي يومًا ما إلى إنتاج روبوتات ناعمة متناهية الصغر، قادرة على السباحة داخل الجسم، وتوزيع الأدوية أو إصلاح الأنسجة التالفة. كما يمكن استخدام «الروبوتات الجيلاتينية» لاختراق بيئات حساسة، مثل المناطق ذات مستويات الإشعاع المرتفعة. ويمكن حتى تطبيق هذه التقنية في صناعة ألعاب الأطفال.
