وقتی ربات، خودش را می‌سازد/ متابوت؛ ماده‌ای که زنده است

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، این ماده می‌تواند منبسط شود، تغییر شکل دهد، حرکت کند و مانند یک ربات کنترل از راه دور به دستورات الکترومغناطیسی پاسخ دهد، حتی اگر موتور یا چرخ‌دنده داخلی نداشته باشد.

در مطالعه‌ای که صحنه‌هایی از مجموعه فیلم‌های «ترانسفورمرز» را تداعی می‌کند، مهندسان دانشگاه پرینستون ماده‌ای را توسعه داده‌اند که قادر به انبساط، تغییر شکل، حرکت و پاسخ به دستورات الکترومغناطیسی مانند یک ربات کنترل از راه دور است، حتی اگر فاقد هرگونه موتور یا چرخ‌دنده داخلی باشد.

گلاوچیو پائولینو، استاد مهندسی دانشگاه پرینستون در کالج مارگارتا انگمن آگوستین، گفت: «شما می‌توانید بین یک ماده و یک ربات تغییر شکل دهید و این کار با یک میدان مغناطیسی خارجی قابل کنترل است.»

در مطالعه‌ای که اخیراً در مجله نیچر منتشر شده است، محققان توضیح می‌دهند که چگونه از اوریگامی، هنر تا کردن کاغذ، الهام گرفته‌اند تا ساختاری را طراحی کنند که شکاف بین رباتیک و علم مواد را پر می‌کند. نتیجه، یک متامتریال است، نوعی ماده مهندسی شده که خواص منحصر‌به‌فرد آن از ساختار فیزیکی آن ناشی می‌شود، نه از ترکیب شیمیایی آن.

این تیم با استفاده از ترکیبی از پلاستیک‌های پایه و کامپوزیت‌های مغناطیسی مخصوص، آن را ساختند. با اعمال میدان مغناطیسی، آنها توانستند ساختار ماده را تغییر دهند و آن را قادر به انبساط، حرکت و خم شدن در جهات مختلف، بدون تماس مستقیم، کنند.

اختراع متابات با الهام از اوریگامی

این تیم، ساخته‌ی خود را «متابوت» نامیدند - متاماده‌ای که می‌تواند شکل خود را تغییر دهد و حرکت کند.

مینجی چن، نویسنده‌ی مقاله و دانشیار مهندسی برق و کامپیوتر و مرکز انرژی و محیط زیست اندلینگر در پرینستون، گفت: «میدان‌های الکترومغناطیسی همزمان قدرت و سیگنال را حمل می‌کنند. هر رفتار بسیار ساده است، اما وقتی آنها را کنار هم قرار می‌دهید، رفتار می‌تواند بسیار پیچیده باشد.» «این تحقیق با نشان دادن اینکه گشتاور را می‌توان از راه دور، فوراً و دقیقاً از یک فاصله عبور داد تا حرکات پیچیده رباتیک را تحریک کند، مرز‌های الکترونیک قدرت را جابجا کرده است.»

این متابات مجموعه‌ای مدولار از سلول‌های واحد قابل پیکربندی مجدد است که تصاویر آینه‌ای یکدیگر هستند. این آینه‌سازی که کایرالیته نامیده می‌شود، امکان رفتار پیچیده را فراهم می‌کند. توئو ژائو، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه پائولینو، گفت که این متابات می‌تواند در پاسخ به یک فشار ساده، پیچ و تاب‌های بزرگی - پیچاندن، انقباض و جمع شدن - ایجاد کند.

ژوان‌هه ژائو، متخصص مواد و رباتیک که در این تحقیق مشارکتی نداشته است، گفت: این کار، مسیری جدید و هیجان‌انگیز را در طراحی و کاربرد‌های اوریگامی باز می‌کند.

ژائو، استاد دانشگاه آنکاس و هلن ویتاکر در دانشگاه MIT، گفت: «کار فعلی با کنترل مونتاژ و حالت کایرال ماژول‌ها، به متامواد مکانیکی بسیار تطبیق‌پذیر دست یافته است. تطبیق‌پذیری و عملکرد بالقوه متامواد اوریگامی مدولار و کایرال واقعاً چشمگیر است.»

کاربرد‌های امیدوارکننده در زمینه‌های مختلف

داویده بیگونی، استاد مکانیک جامدات و سازه در دانشگاه ترنتو در ایتالیا، این کار را پیشگامانه خواند و گفت که می‌تواند «یک تغییر الگو در زمینه‌های مختلف از جمله رباتیک نرم، مهندسی هوافضا، جذب انرژی و تنظیم خودکار دما ایجاد کند.»

توئو ژائو، یکی از نویسندگان این مقاله، با بررسی کاربرد‌های رباتیک این فناوری، از یک دستگاه لیتوگرافی لیزری در موسسه مواد پرینستون برای ساخت یک متابوت نمونه اولیه با ارتفاع ۱۰۰ میکرون (کمی ضخیم‌تر از موی انسان) استفاده کرد. محققان گفتند که ربات‌های مشابه می‌توانند روزی دارو‌ها را به قسمت‌های خاصی از بدن برسانند یا به جراحان در ترمیم استخوان‌ها یا بافت‌های آسیب‌دیده کمک کنند.

محققان همچنین از این متاماده برای ایجاد یک تنظیم‌کننده دما استفاده کردند که با تغییر بین یک سطح سیاه جاذب نور و یک سطح بازتابنده کار می‌کند. در یک آزمایش، محققان متاماده را در معرض نور شدید خورشید قرار دادند و توانستند دمای سطح را از ۲۷ درجه سانتیگراد (۸۰ درجه فارنهایت) تا ۷۰ درجه سانتیگراد (۱۵۸ درجه فارنهایت) و دوباره برعکس تنظیم کنند.

یکی دیگر از کاربرد‌های احتمالی آن در آنتن‌ها، لنز‌ها و دستگاه‌هایی است که با طول موج‌های نور سروکار دارند.

الگوی کرسلینگ و کنترل مغناطیسی

هندسه، کلید این ماده جدید است. محققان لوله‌های پلاستیکی را با پایه‌های نگهدارنده‌ای ساختند که به گونه‌ای چیده شده‌اند که لوله‌ها هنگام فشرده شدن، پیچ می‌خورند و هنگام پیچاندن، فشرده می‌شوند. در اوریگامی، به این لوله‌ها الگو‌های کرسلینگ می‌گویند. محققان بلوک‌های سازنده طرح خود را با اتصال دو لوله کرسلینگ با تصویر آینه‌ای در پایه برای ساخت یک استوانه بلند ایجاد کردند. در نتیجه، یک انتهای استوانه هنگام پیچاندن در یک جهت و انتهای دیگر هنگام پیچاندن در جهت مخالف، تا می‌شود.

این الگوی ساده از لوله‌های تکرارشونده، حرکت مستقل هر بخش از لوله را با استفاده از میدان‌های مغناطیسی مهندسی‌شده‌ی دقیق امکان‌پذیر می‌کند. میدان مغناطیسی باعث می‌شود لوله‌های کرسلینگ پیچ بخورند، فرو بریزند یا باز شوند و رفتار‌های پیچیده‌ای ایجاد کنند.

پائولینو گفت که یکی از پیامد‌های کایرالیته - بخش‌های تصویر آینه‌ای - این است که این ماده می‌تواند قوانین معمول کنش‌ها و واکنش‌ها در اشیاء فیزیکی را نقض کند. پائولینو گفت: «معمولاً اگر یک تیر لاستیکی را در جهت عقربه‌های ساعت و سپس خلاف جهت عقربه‌های ساعت بچرخانم، به نقطه شروع خود بازمی‌گردد.» این گروه یک متابوت ساده ایجاد کردند که هنگام پیچاندن در جهت عقربه‌های ساعت جمع می‌شود، سپس هنگام پیچاندن در جهت عقربه‌های ساعت دوباره باز می‌شود - یک رفتار طبیعی. با این حال، اگر در ترتیب معکوس - خلاف جهت عقربه‌های ساعت و سپس در جهت عقربه‌های ساعت - پیچانده شود، همان دستگاه جمع می‌شود، سپس بیشتر جمع می‌شود.

پائولینو گفت این رفتار نامتقارن، پدیده‌ای به نام هیسترزیس را شبیه‌سازی می‌کند که در آن پاسخ یک سیستم به یک محرک به تاریخچه تغییرات درون سیستم بستگی دارد. مدل‌سازی ریاضی چنین سیستم‌هایی که در مهندسی، فیزیک و اقتصاد یافت می‌شوند، دشوار است. پائولینو گفت این متاماده راهی برای شبیه‌سازی مستقیم این سیستم‌ها ارائه می‌دهد.

یک کاربرد دورتر برای این ماده جدید، طراحی ساختار‌های فیزیکی است که عملکرد گیت‌های منطقی ساخته شده با ترانزیستور‌ها در یک کامپیوتر را تقلید می‌کنند.

پائولینو گفت: «این به ما یک روش فیزیکی برای شبیه‌سازی رفتار‌های پیچیده، مانند حالت‌های غیرجابجایی، می‌دهد.»

مرجع: "فراماداد اوریگامی کایرال مدولار" توسط Tuo Zhao، Xiangxin Dang، Konstantinos Manos، Shixi Zang، Jyotirmoy Mandal، Minjie Chen و Glaucio H. Paulino، ۲۳ آوریل ۲۰۲۵، طبیعت.

DOI: ۱۰.۱۰۳۸/s۴۱۵۸۶-۰۲۵-۰۸۸۵۱-۰

بخشی از حمایت‌های این پروژه توسط بنیاد ملی علوم، موسسه مواد پرینستون، شورای علوم و فناوری پرینستون و مرکز انرژی و محیط زیست اندلینگر ارائه شده است.