ربات‌های نرم و هوشمند UC San Diego؛ جهشی نو در کاوش فضاهای فوق‌باریک

به گفته hackster

میکروبوت‌های هدایت‌پذیر آماده اکتشاف

مهندسان UC San Diego یک «پوست رباتیکی» چندمیلی‌متری توسعه داده‌اند که به ربات‌های نرم امکان می‌دهد در فضاهای فوق‌العاده تنگ، از شریان‌های انسانی تا مجاری داخل موتور جت، حرکت کنند. این پیشرفت ترکیبی از محرک‌های بسیار باریک، کنترل هوشمند فشار هوا و راهبردهای حرارتی است تا مانورپذیری‌ای فراتر از روش‌های پیشین فراهم شود.

(David Baillot / دانشکده مهندسی جاکوبز دانشگاه UCSD)

در حالی که ربات‌های انسان‌نما با پرش و حرکات آکروباتیک توجه‌ها را جلب می‌کنند، بسیاری از کاربردهای واقعی به ربات‌هایی نیاز دارند که انسان هرگز قادر به انجام‌شان نیست؛ مثل خزیدن در رگ‌ها برای درمان‌های کم‌تهاجمی یا لغزیدن داخل موتور جت برای بازرسی‌های ایمن. با وجود ارزش این سناریوها، ترکیب «کوچکی، نرمی و چابکی» تا امروز مانعی جدی برای طراحی یک سامانه عملی بوده است.

اکنون یک تیم در University of California, San Diego پوست رباتیکی نوینی ساخته که فقط چند میلی‌متر پهنا دارد و می‌تواند در فضاهای باریک حرکت کند. افزودن یک سازوکار کنترل هوشمند امکان هدایت فعال را مهیا کرده است؛ به‌نحوی که ربات می‌تواند بیش از 100 درجه تغییر جهت دهد و از مسیرهای پیچ‌در‌پیچ عبور کند.

این پوست رباتیکی مبنای ساخت ربات‌های تاک نرم شد؛ ربات‌هایی که بدون اجزای صلب حرکت و هدایت می‌شوند. ویژگی کلیدی آن‌ها «رشد از نوک» است: بدنه از نوک خود به‌صورت پشت‌ورو باز می‌شود—مشابه باز شدن یک جوراب از لبه—تا طول بگیرد بدون آنکه بدنه روی سطوح اطراف کشیده شود. این الگوی حرکت اصطکاک را به حداقل می‌رساند و برای محیط‌های حساس مانند سرخرگ‌ها یا ماشین‌آلات ظریف مناسب است.

با وجود مزایای «رشد از نوک»، هدایت‌پذیری نقطه‌ضعف تاریخی ربات‌های تاک نرم بود؛ آن‌ها عمدتاً فقط رو به جلو رشد می‌کردند و در پیچ‌وخم‌ها کنترل خم‌شدن محدودی داشتند. تیم UC San Diego برای حل این مشکل، ردیفی از محرک‌های فوق‌نازک مبتنی بر الاستومر کریستال مایع (liquid crystal elastomer, LCE) را در پوسته ربات تعبیه کرد. LCE هنگام گرمایش منقبض می‌شود و در مقیاس کوچک، نیروی منعطف اما توانمندی ایجاد می‌کند.

برای فعال‌سازی دقیق هر محرک (actuator)، یک گرم‌کن انعطاف‌پذیر (flexible heater) هم‌جوار آن قرار داده شده تا با جریان الکتریکی اندک دما را بالا ببرد. هرگاه یک سمت ربات گرم و منقبض شود، بدنه به همان سمت خم می‌شود. با کارگذاری چندین جفت گرم‌کن/محرک در پیرامون و امتداد طول ربات، امکان هدایت چندجهته و ایجاد انحناهای پیچیده فراهم می‌گردد.

حرکت ربات با ترکیبی از «فشار هوای داخلی» و «دمای محرک‌ها» کنترل می‌شود. افزایش فشار، بدنه را سفت و مستقیم نگه می‌دارد؛ کاهش فشار، آزادیِ خم‌شدن را بیشتر می‌کند. هم‌زمان، کنترل دمای محرک‌ها میزان انحنا را ریزتنظیم می‌کند. یافته‌های تیم نشان داد هم‌گذاری این دو عامل در یک طرح کنترل ترکیبی (hybrid control scheme) بهترین دقت و پاسخ‌دهی را به‌دنبال دارد.

• پوست رباتیکی چندمیلی‌متری با آرایه‌ای از LCE تعبیه‌شده برای ایجاد خمش محلی.
• گرم‌کن‌های انعطاف‌پذیر برای تحریک حرارتی محرک‌ها و کنترل لحظه‌ای انقباض.
• رشد از نوک (inside-out growth) برای افزایش طول بدون کشش روی محیط و کاهش اصطکاک.
• کنترل فشار هوا برای تنظیم سفتی/راستای کلی، و کنترل دما برای تعیین شعاع خم.
• هدایت چندجهته با قراردهی محرک‌ها در محیط پیرامونی و امتداد طولی بدنه.

در آزمایشگاه، نمونه‌هایی با قطر 3 تا 7 میلی‌متر و طول حدود 25 سانتی‌متر ساخته شدند. با وجود این ابعاد کوچک، ربات‌ها چرخش‌های تندِ بیش از 100 درجه انجام دادند و از شکاف‌هایی به اندازه نیمی از قطر خود عبور کردند. یکی از نمونه‌ها مدل آئورت و شریان‌های متصل را پیمایش کرد که ظرفیت بالقوه برای کاربردهای پزشکی آینده را نشان می‌دهد. نمونه‌ای دیگر فضای داخلی یک مدل موتور جت را بررسی کرد و امید به به‌کارگیری در بازرسی‌های صنعتیِ دسترس‌ناپذیر با ابزارهای سنتی را تقویت کرد.

مسیر بعدی پژوهش شامل کوچک‌سازی بیشتر و افزودن کنترل از راه دور یا خودگردان است. با این ارتقاها، این ربات‌های تاکِ کوچک و هدایت‌پذیر می‌توانند به‌زودی محیط‌هایی را کاوش کنند که تا همین دیروز تقریباً غیرقابل دسترس تلقی می‌شدند.