باحثو معهد MIT يبتكرون روبوتًا مصغرًا بمحركات ناعمة
عندما يتعلق الأمر بالروبوتات، فالأكبر ليس دائمًا الأفضل. ذات يوم قد يتمكن سرب من الروبوتات بحجم الحشرات من تلقيح المحاصيل أو البحث عن ناجين بين أنقاض مبنى مدمر.
أوضح باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن طائرات مسيّرة صغيرة قادرة على التنقل بمناورة وثبات يشبهان مناورة الحشرات الطائرة، ويمكنها في نهاية المطاف أداء هذه المهام.
تتسم المحركات الناعمة التي تحرك هذه الروبوتات المصغرة بمتانة عالية، لكنها تحتاج إلى جهد كهربائي أعلى بكثير من المحركات الصلبة ذات الحجم المماثل. كما أن الروبوتات خفيفة الوزن لا تستطيع حمل إلكترونيات الطاقة اللازمة التي تمكّنها من الطيران بشكل مستقل.
طوّر الباحثون لأول مرة تقنية تصنيع تتيح لهم إنتاج محركات ناعمة تعمل بجهد أقل بنسبة 75% من النسخ الحالية، وتحمل حمولة نافعة أكبر بنسبة 80%. وتشبه هذه المحركات الناعمة العضلات الاصطناعية التي تحرك أجنحة الروبوت بسرعة.
تتيح تقنية التصنيع الجديدة إنتاج عضلات اصطناعية بعدد أقل من العيوب، ما يطيل بشكل ملحوظ عمر المكونات ويزيد أداء الروبوت وحمولته النافعة.
«يفتح ذلك أمامنا كثيرًا من الإمكانيات مستقبلًا للانتقال إلى استخدام إلكترونيات الطاقة داخل الروبوت المصغر. يميل الناس إلى الاعتقاد بأن الروبوتات الناعمة ليست بالقدرة نفسها التي تتمتع بها الروبوتات الصلبة. نحن نُظهر أن هذا الروبوت، الذي يزن أقل من غرام، يطير لأطول مدة وبأقل خطأ أثناء التحليق في وضع التحويم. الفكرة الأساسية أن الروبوتات الناعمة قد تتفوق على الروبوتات الصلبة في الأداء»
يتميز الروبوت المصغر المستطيل بأربع مجموعات من الأجنحة، تُحرك كل منها بمحرك ناعم. وتُصنع هذه المحركات العضلية من طبقات من الإيلاستومر مثبتة بين قطبين رقيقين للغاية، ثم تُلف على شكل أسطوانة ناعمة. وعند تطبيق الجهد على المحرك، تضغط الأقطاب على الإيلاستومر، ويُستخدم هذا الإجهاد الميكانيكي في تحريك الجناح.
كلما زادت مساحة سطح المحرك، قلّ الجهد المطلوب. ويقوم تشن وفريقه ببناء هذه العضلات الاصطناعية عبر تناوب أكبر عدد ممكن من الطبقات فائقة الرقة من الإيلاستومر والأقطاب. ومع رقة طبقات الإيلاستومر تزداد عدم استقرارها.
للمرة الأولى، تمكن الباحثون من إنشاء محرك بعشرين طبقة، سماكة كل منها 10 ميكرومترات (تقريبًا قطر كرية دم حمراء). لكن ذلك تطلب منهم إعادة اختراع أجزاء من عملية التصنيع.
كان أحد العوائق الرئيسية عملية الطلاء بالطرد المركزي. أثناء الطلاء بهذه الطريقة، يُسكب الإيلاستومر على سطح مستوٍ ويُدار بسرعة، فتسحب القوة الطاردة المركزية الغشاء نحو الخارج، فيصبح أرق.
«في هذه العملية يدخل الهواء إلى الإيلاستومر ويُكوّن عددًا كبيرًا من فقاعات الهواء المجهرية. قطر هذه الفقاعات مايكرومتر واحد فقط، لذلك كنا نتجاهلها سابقًا. لكن مع ازدياد رقة الطبقات أكثر فأكثر، يزداد تأثير فقاعات الهواء قوة. ولهذا لا يستطيع الناس صنع طبقات رقيقة جدًا»
وجد الباحثون أنهم إذا أجروا عملية التفريغ مباشرة بعد الطلاء بالطرد المركزي، while الإيلاستومر ما زال رطبًا، فإنها تزيل فقاعات الهواء. ثم يقومون بتسخين الإيلاستومر لتجفيفه.
وفقًا لتشن، فإن إزالة هذه العيوب تزيد خرج قدرة المحرك بأكثر من 300% وتطيل عمره بشكل ملحوظ.
كما قام الباحثون بتحسين الأقطاب الرقيقة المكوّنة من أنابيب الكربون النانوية، وهي حزم فائقة المتانة من الكربون تبلغ نحو 1/50 000 من قطر شعرة الإنسان. تزيد التراكيز الأعلى من أنابيب الكربون النانوية خرج قدرة المحرك وتخفض الجهد، لكن الطبقات الكثيفة تحتوي أيضًا على عيوب أكثر.
فعلى سبيل المثال، تملك أنابيب الكربون النانوية أطرافًا حادة، ويمكن أن تخترق الإيلاستومر فتسبب قصرًا كهربائيًا في الجهاز. وبعد تجارب وأخطاء طويلة، وجد الباحثون التركيز الأمثل. ثم تنشأ مشكلة أخرى في مرحلة التصلب، إذ كلما أضيفت طبقات أكثر، طال زمن جفاف المحرك.
«في المرة الأولى التي طلبت فيها من طالبي صنع محرك متعدد الطبقات، صنع 12 طبقة، لكنه اضطر إلى الانتظار يومين حتى تتصلب. وهذا غير مقبول على الإطلاق، خاصةً إذا أردت زيادة عدد الطبقات»
وجدوا أن تسخين كل طبقة لبضع دقائق مباشرة بعد نقل أنابيب الكربون النانوية إلى الإيلاستومر يقلل زمن التصلب كلما أضيفت طبقات إضافية.
بعد استخدام هذه التقنية لإنشاء عضلة اصطناعية من 20 طبقة قارن الباحثون أداءها بنسختهم السابقة ذات الست طبقات وبالمحركات الصلبة الحديثة.
خلال تجارب الرفع، أنتج المحرك ذو 20 طبقة، الذي يحتاج إلى أقل من 500 فولت للعمل، طاقة كافية لتمنح الروبوت نسبة قوة رفع إلى وزن تبلغ 3,7:1، بحيث يستطيع حمل أشياء تفوق وزنه بنحو ثلاث مرات.
وأظهر الباحثون أيضًا تحليقًا في وضع التحويم لمدة 20 ثانية. وحافظ الروبوت المحوّم على ثباته أكثر من أي روبوت آخر. وظل المحرك ذو 20 طبقة يعمل دون أعطال بعد أكثر من مليوني دورة، وهو ما يتجاوز بكثير عمر المحركات الأخرى.
«قبل عامين صنعنا محركًا بأقصى قدرة، لكنه بالكاد استطاع الطيران. بدأنا نتساءل: هل يمكن للروبوتات الناعمة يومًا أن تنافس الروبوتات الصلبة؟ رصدنا عيبًا تلو الآخر، لذلك واصلنا العمل وحللنا مشكلة تصنيعية تلو الأخرى، والآن لم تعد أداءات المحرك الناعم أقل شأنًا. بل إنها أفضل قليلًا من أحدث المحركات الصلبة. وما زالت هناك في علم المواد عدة عمليات تصنيع لا نفهمها. لذلك أنا متحمس جدًا لمواصلة خفض جهد التشغيل»
يأمل تشن في التعاون مع Niroui لإنشاء المحركات في غرفة نظيفة في MIT.nano والاستفادة من تقنيات التصنيع النانوي. فراهنًا يقيّد فريقه مدى رقة الطبقات التي يمكنهم صنعها بسبب الغبار في الهواء والسرعة القصوى للطلاء. ويزيل العمل في غرفة نظيفة هذه المشكلة، ويتيح لهم استخدام أساليب أدق من الطلاء بالطرد المركزي.
رغم أن تشن متحمس لإنتاج محركات بطبقات سماكتها 10 ميكرومترات، فإنه يأمل في تقليل السماكة إلى ميكرومتر واحد، وهو ما سيفتح الأبواب أمام تطبيقات عديدة لهذه الروبوتات بحجم الحشرات.
