اگه تا حالا ربات‌های نرم (Soft Robots) رو دیده باشین، می‌دونین که چقدر باحال و آینده‌دارن! این ربات‌ها با بدن‌های انعطاف‌پذیرشون می‌تونن خیلی راحت تو جاهای تنگ و فضاهای حساس سرک بکشن، بدون اینکه آسیبی برسونن یا گیر کنن. از کمک به رشد مرجان‌ها تو آزمایشگاه گرفته تا بازدید از لوله‌های صنعتی بدون خطر – واقعاً زندگی آسون‌تر شده با این موجودات نرم و هوشمند.
اما یک دردسر بزرگ همیشه داشتن: چجوری انرژی بگیرن، اونم بدون سیم و کابل و باتری‌های سفت و زمخت؟ باتری‌های معمولی ربات رو سنگین و خشک می‌کنن، زود خالی میشن یا موقع خم شدن خراب میشن. به خاطر همین، پژوهشگرای دانشگاه ملی سنگاپور اومدن یک راه عجیب‌غریب پیدا کردن که ضعف رو تبدیل به نقطه قوت کنن!
تیم پروفسور وو چانگ‌شنگ با کمک دانشجوهاش فهمیدن میشه از «میدان مغناطیسی» (یعنی همون قدرت آهن‌رباها که قبلاً واسه حرکت دادن ربات‌ها به کار می‌بردن) برای تقویت باتری هم استفاده کرد. جریان از این قراره: میدون مغناطیسی باعث میشه مواد شیمیایی داخل باتری بهتر و پایدارتر واکنش بدن. اینجوری با یک تیر دو نشون می‌زنن: هم حرکت ربات رو کنترل می‌کنن و هم باتریش رو مقاوم و قوی نگه می‌دارن!
واسه اینکه همه چی جمع‌وجور و منعطف باشه، این گروه اومدن و از سفره‌ماهی یا همون مانتا ری الهام گرفتن. سفره‌ماهی بدنی داره که همزمان می‌تونه حرکت کنه، حس کنه و انرژی مصرف کنه، بدون اینکه سنگین یا خشک باشه. ربات ساخته‌شده‌شون، یک باتری مخصوص به اسم زینک-منگنز دی‌اکسید (Zn-MnO₂) داره که نرم و لایه‌لایه وسط سیلیکون جاساز شده. سیلیکون همون جنسیه که تو وسایل پزشکی و رباتیک زیاد به‌کار میره چون خیلی انعطاف‌پذیره.
به‌جای اینکه باتری‌ها رو کنار هم بچینن، همشون رو عمودی چیدن وسط ربات تا جای بیشتری هم صرفه‌جویی کنن و نرمی ربات رو حذف نکنن (به این کار میگن Vertical Integration یا مجتمع‌سازی عمودی).
نتیجه هم خیلی خفن بوده: باتری‌های تقویت‌شده با میدان مغناطیسی بعد از ۲۰۰ بار شارژ و استفاده، تقریباً ۵۷٪ ظرفیت‌شون رو حفظ کردن، یعنی تقریباً دو برابر باتری‌هایی که این ارتقا رو نداشتن! تازه، این کار جلوی رشد “دندریت” (Dendrite) رو هم گرفته. دندریت یعنی همون شاخه‌های سوزنی ریز که موقع شارژ زیاد تو باتری رشد میکنه و معمولاً باعث اتصال کوتاه و خرابی باتری میشه.
علتش رو هم اینجوری توضیح دادن: “نیروی لورنتس” (Lorentz Force) که از میدان مغناطیسی به یون‌ها وارد میشه، مسیرشون رو تغییر میده تا یکنواخت‌تر روی آند باتری بنشینن و دندریت درست نکنن. علاوه‌بر این، اون میدان مغناطیسی باعث میشه اسپین الکترون‌های داخل منگنز اکساید هم‌جهت بشه و پیوندهای اتمی قوی‌تر بمونن و باتری موقع شارژ و دشارژ نپاشه! (اسپین یعنی همون ویژگی الکترون‌ها که روی خاصیت مغناطیسی تاثیر داره.)
حالا ربات نهایی ما یک سفره‌ماهی رباتیه که با این باتری‌های نرم و محرک‌های (Actuators) نرم آهن‌ربایی کار میکنه و یک مدار سبک بالاخره برای حسگرها و ارتباط بی‌سیم داره. وقتی میدان مغناطیسی بیرونی اعمال بشه، باله‌هاش مثل سفره‌ماهی واقعی شروع میکنه به فِلَپ کردن (یعنی تکون دادن باله‌ها). راحت می‌تونه شنای نرم کنه، سریع ۹۰ درجه بچرخه یا تو مسیرهای عجیب حرکت کنه. تازه اطلاعاتش رو همزمان با یک دوقلوی دیجیتالی (Digital Twin یعنی نسخه مجازی از ربات تو کامپیوتر) به اشتراک می‌ذاره.
اما خفن‌ترش اینه که ربات خودش پر از حسگرهای داخلیه: سنسورهای برخورد، سنسور دما، حتی سنسورهای تعادل که بتونه زاویه خودش رو نسبت به موج و مانع تصحیح کنه (Yaw, Pitch, Roll یعنی چرخش ربات به سمت‌های مختلف). هر جایی احساس کنه لازمه، خودش مسیر رو عوض میکنه بدون اینکه نیاز به اپراتور انسانی باشه.
سطح بدن ربات کاملاً نرمه و با محیط آبی انطباق پیدا میکنه. به گفته سازنده‌ها، یک سیستم نرم‌افزاری بازخورد هم تعبیه شده که هر وقت ربات بر اثر موج یا تماس با محیط از مسیر منحرف شد، همون لحظه اصلاحش کنه. محقق‌ها می‌خوان سنسورهای جدید مثل سنسور شیمیایی یا اولتراسونیک (التراسونیک یعنی همون فراصوتی که با استفاده از صدا کار میکنه) رو هم بهش اضافه کنن تا کارایی و عمر باتری بیشتر بشه.
همه این ایده‌ها رو دارند که ربات‌هایی بسازن که بتونن کاملاً مستقل تو فضاهای سخت و دست‌نیافتنی مثل لوله‌های صنعتی، دریا یا حتی بدن انسان کار کنن. هدف اینه که ربات‌ها مثل موجودات واقعی (مثل همین سفره‌ماهی)، بتونن فکر کنن و خودشون با محیط تعامل داشته باشن. یعنی یه نسخه باهوش و آینده‌دار از ربات‌های نرم که روز به روز داره شبیه‌تر به طبیعت میشه!
اگه دوست دارین بیشتر بدونین، نتایج کامل تحقیق تو ژورنال “Science Advances” منتشر شده.
منبع: +
