روبات‌های نرم و راز انعطاف پذیری آنها

تصویر: ماهی های پرنده از باله های خود برای شنا در آب و نیز سر خوردن در هوا استفاده می کنند. مؤسسه اسمیتسونین / فلیکر
 

ایده بزرگ

مفصل های بخش بخشی در استخوان های بلند و نازک باله ماهی برای خواص مکانیکی باور نکردنی باله ها بسیار مهم هستند و این طرح می تواند الهام بخش سیستم های پیشرانه پیشرفته زیر آب، مواد روباتیک جدید و حتی طرح های جدید هواپیما باشد.
   
تصویر: دم ماهی صورتی کم رنگ با خطوط نازک که از قاعده بیرون می زند. خطوط نازک در دم این سرخو ماهی شعاع هایی است که به ماهی اجازه می دهد شکل و سفتی باله های خود را کنترل کند. فرانسوا بارتلات ، CC BY-ND
کامپوزیت ما می تواند خود را ترمیم کرده و آسیب را به روشی کاملاً جدید تشخیص دهد. آسیب، خطوط جدید رسانای الکتریکی ایجاد می کند که تغییر شکل را در مواد فعال می کند.  باله های ماهی صرفاً غشاهای ساده ای نیستند که ماهی برای حرکت به راست و چپ تکان می دهد. آنها احتمالاً یکی از زیباترین روش های تعامل با آب هستند. باله ها انعطاف پذیری کافی برای تغییر شکل دادن به خود به صورت اشکال مختلف دارند، اما به اندازه کافی سفت هستند که آب را بدون در هم فرو ریختن خود، فشار دهند.
 
راز در ساختار است: اکثر ماهی ها دارای شعاع هستند – یعنی خارهای استخوانی بلند که غشاهای نازک کلاژن که باله های آنها را تشکیل می دهند سفت می کنند. هر یک از این شعاع ها از دو ردیف سفت از قطعات کوچک استخوانی تشکیل شده اند که لایه داخلی نرم تری را احاطه کرده اند. زیست شناسان مدت هاست می دانند که ماهی می تواند شکل باله های خود را با استفاده از ماهیچه ها و تاندون هایی که بر قاعده هر شعاع فشار می آورند یا آن را می کشند تغییر دهد، اما تحقیقات بسیار کمی به طور ویژه در مورد مزایای مکانیکی ساختار بخش بخش شده انجام شده است.
 
برای مطالعه خواص مکانیکیِ شعاع های بخش بخش شده، من و همکارانم از مدل های نظری و باله های چاپ سه بعدی برای مقایسه شعاع بخش بخش شده با شعاع های ساخته شده از مواد منعطف بخش بخش نشده استفاده کردیم.
 
ما نشان دادیم که بخش های کوچک و استخوانی متعدد به عنوان نقاط مفصل یا لولا عمل می کنند و باعث می شوند دو ردیف استخوانی در شعاع،  به راحتی، پهلو به پهلو خم شوند. این انعطاف پذیری به ماهیچه ها و تاندون های قاعده شعاع اجازه می دهد تا با استفاده از حداقل نیرو، باله ای را شکل دهند. در همین حال، طراحی مِفصل باعث می شود از شکل افتادن شعاع در طول آن دشوار شود. این امر مانع از در هم ریختن ساختار باله ها هنگام شنا، در معرض فشار آب، می شود. در شعاع های چاپ سه بعدی ما، طرح بندی های بخش بخشی چهار برابر راحت تر از طرح های پیوسته تغییر شکل می دادند در حالی که همان سفتی را حفظ می کردند.
   
تصویر: عکس های یک شعاع مستقیم و یک شعاع خم شده نشان می دهد که چگونه کشیدن یک نیمه و فشار دادن به نیمه دیگر شعاع باعث خم شدن آن می شود. ماهیت بخش بخشی شعاع های باله ماهی به آنها اجازه می دهد تا به راحتی با اعمال فشار در انتهای شعاع تغییر شکل دهند. فرانسوا بارتلات ، CC BY-ND
حافظه مربوط به شکل نمونه دیگری از هوش تجسم یافته در مواد است. این بدان معناست که مواد می توانند به گونه ای برگشت پذیر به شکل تجویز شده تغییر شکل دهند.

چرا مهم است

مواد تغییر شکل دهنده (یا morphing materials) – یعنی موادی که شکل آنها قابل تغییر است - در دو نوع وجود دارند. برخی از آنها بسیار انعطاف پذیر هستند - مانند هیدروژل ها - اما وقتی این مواد را تحت تأثیر نیروهای خارجی قرار دهید، به راحتی از هم فرو می پاشند. مواد تغییر شکل دهنده همچنین می توانند بسیار سفت باشند - مانند برخی از کامپوزیت های هوا فضا - اما برای ایجاد تغییرات کوچک در شکل آنها نیروی زیادی لازم است.
   
تصویر: عکسی که نشان می دهد چگونه شعاع های چاپ سه بعدی شده خمیده می شوند. برای کنترل شکل یک شعاع چاپ سه بعدی پیوسته (دو تصویر بالا) به نیروی بسیار بیشتری نیاز است تا تغییر شکل یک شعاع بخش بخشی (دو تصویر پایینی). فرانسوا بارتلات ، CC BY-ND
 
طراحی ساختار بندی شده باله های ماهی با انعطاف پذیری بالا و در عین حال قوی، یک بالانس کاربردی را به دست می دهد. مطالب و مواد مبتنی بر این طرح می توانند در پیشرانه های زیر آب مورد استفاده قرار گیرند و چابکی و سرعت زیر دریایی های الهام گرفته از ماهی را بهبود بخشند. آنها همچنین می توانند در روباتیک نرم بسیار ارزشمند بوده و به ابزارها اجازه دهند به اشکال مختلف تغییر فرم دهند و در عین حال بتوانند اجسام را با نیروی زیادی فراچنگ آورند. طرح های بخش بخشی شعاع حتی می تواند به نفع حوزه هوا فضا باشد. تغییر شکل بال هایی که می توانند هندسه خود را به طور اساسی تغییر دهند، اما نیروهای ایرودینامیکی زیادی را تحمل می کنند، می تواند در نحوه برخاست، مانور و فرود هواپیما انقلابی ایجاد کند.
 

چیزی که هنوز معلوم نیست

در حالی که این تحقیقات در توضیح نحوه عملکرد باله های ماهی تا حد زیادی پیش می رود، مکانیسمی که در هنگامی که باله های ماهی از موقعیت طبیعی خود خیلی خم می شوند نقش دارد هنوز کمی راز آلود است. کلاژن با تغییر شکل بیشتر سفت تر می شود و من و همکارانم گمان می کنیم که این واکنش سفت کننده - همراه با نحوه قرارگیری فیبرهای کلاژن در باله های ماهی - عملکرد مکانیکی باله ها را هنگام تغییر شکلِ بسیار زیاد، بهبود می بخشند.
می توان به هوش تجسمی در یک ماده واحد فکر کرد - ماده ای که بتواند بدون دستگاه های الکترونیکی تعبیه شده مانند حسگرها و واحدهای پردازشی، محیط خود را حس، و پردازش کرده و به آن پاسخ دهد.

بعد چه

من شیفته بیومکانیک باله های طبیعی ماهی هستم، اما هدف نهایی من این است که مواد و وسایل جدیدی را ایجاد کنم که از خواص مکانیکی باله ها الهام گرفته باشد. من و همکارانم در حال حاضر در حال توسعه مواد و مطالب اثبات کننده مفهوم هستیم که امیدواریم طیف وسیع تری از مهندسان در دانشگاه و بخش خصوصی را متقاعد کند که طرح های الهام گرفته از باله ماهی می تواند عملکرد بهتری را برای کاربردهای مختلف ارائه دهد.
 

روبات های نرم آینده

 
تصویر: تعاملات بین مردم و ماشین ها همچنان در حال افزایش است. Tecnalia/Flickr ، CC BY-NC-ND
 
روبات ها قبلاً محدود به کارهای سنگین یا کار با جزئیات خوب در کارخانه ها بودند. در حال حاضر روبات چهار پای زیرک بوستونDynamics ، Spot ، برای اجاره توسط شرکت ها برای انجام مشاغل مختلف در دنیای واقعی در دسترس است، و این نشان می دهد که چگونه تعاملات متداول بین انسان و ماشین در سال های اخیر شکل گرفته است.
 "ماده، خود، ماشین است".و در حالی که Spot چندین کاره و قدرتمند است، چیزی است که جامعه آن را به عنوان یک روبات سنتی، ترکیبی از فلز و پلاستیک سخت، می پندارد. بسیاری از محققان متقاعد شده اند که روبات های نرم که قادر به تعامل فیزیکی ایمن با مردم هستند - به عنوان مثال، در ارائه کمک در خانه با گرفتن و جا به جایی اجسام - به روبات های سخت ملحق می شوند تا آینده را پر کنند.
   
تصویر: به عنوان مثال، از مواد نرم چند منظوره در روباتیک نرم و رایانه های پوشیدنی استفاده می شود که کارهای مختلف زیادی را همزمان انجام می دهند. مایکل فورد ، CC BY-ND
 
روباتیک نرم و رایانه های پوشیدنی، که هر دو فناوری های ایمنی برای تعامل انسان هستند، نیاز به انواع جدیدی از مواد نرم و کشسان دارند و کارهای متنوعی را انجام می دهند. من و همکارانم در آزمایشگاه ماشین های نرم در دانشگاه کارنگی ملون این مواد چند منظوره را توسعه می دهیم. به همراه همکاران، ما اخیراً یکی از این مواد را توسعه داده ایم که ویژگی های فلزات، و لاستیک های نرم را ترکیب کرده و مواد حافظه را شکل می دهد.
 
این مواد نرم چند منظوره، همان طور که ما آنها را این طور می نامیم، الکتریسیته را هدایت می کنند، و آسیب ها را تشخیص داده و خود را بهبود می بخشند. آنها همچنین می توانند لمس را حس کرده و شکل و سفتی خود را در واکنش به تحریک الکتریکی، مانند یک ماهیچه مصنوعی، تغییر دهند. از بسیاری جهات، این چیزی است که محققان پیشگام Kaushik Bhattacharya  و Richard James این گونه توصیف کردند: "ماده، خود، ماشین است".
طرح های الهام گرفته از باله ماهی می تواند عملکرد بهتری را برای کاربردهای مختلف ارائه دهد.

هوشمند سازی مواد

این ایده که ماده ماشین است می تواند در مفهوم هوش تجسمی به کار گرفته شود. این اصطلاح معمولاً برای توصیف سیستمی از مواد که به هم متصل هستند، مانند تاندون های زانو، استفاده می شود. هنگام دویدن، تاندون ها می توانند کشیده و شل شوند تا هر بار که پا به زمین برخورد می کند، بدون نیاز به هیچ گونه کنترل عصبی، خود را با آن وفق دهند.
 
همچنین می توان به هوش تجسمی در یک ماده واحد فکر کرد - ماده ای که بتواند بدون دستگاه های الکترونیکی تعبیه شده مانند حسگرها و واحدهای پردازشی، محیط خود را حس، و پردازش کرده و به آن پاسخ دهد.
 
یک مثال ساده لاستیک است. در سطح مولکولی، لاستیک شامل رشته های مولکول است که به هم پیچیده شده و به هم متصل شده اند. کشش یا فشردن لاستیک باعث حرکت و باز شدن رشته ها می شود، اما پیوندهای آنها لاستیک را مجبور می کند بدون تغییر شکل دائمی به حالت اولیه خود باز گردد. توانایی لاستیک برای "شناختن" شکل اولیه اش در ساختار ماده نهفته است.
   
تصویر: یک روبات نرم با یک مدار رسانای قابل کشش و الکتریکی که خود - درمان است. Soft Machines Lab، CC BY-ND
 
از آن جایی که مواد مهندسی شده آینده که برای تعامل انسان و ماشین مناسب هستند به چند منظورگی نیاز دارند، محققان سعی کرده اند سطوح جدیدی از هوش تجسم یافته - فراتر از کشش - را در موادی مانند لاستیک بسازند. به تازگی، همکارانم مدارهای خود درمانی تعبیه شده ای در لاستیک ایجاد کردند.
 
آنها با پخش قطرات فلز مایع در مقیاس میکرو که هر کدام در یک "پوست" عایق الکتریکی پیچیده شده بودند روی لاستیک سیلیکون، شروع کردند. در حالت اصلی اش، لایه نازک اکسید فلز پوست از هدایت الکتریسیته توسط قطره فلزی جلوگیری می کند.
 
با این حال، اگر لاستیک که فلز در آن تعبیه شده تحت فشار کافی قرار گیرد، قطرات پاره شده و با هم ادغام می شوند و مسیرهای رسانای الکتریکی را تشکیل می دهند. هر گونه خطوط الکتریکی چاپ شده در آن لاستیک، خود - ترمیم می شود. در یک مطالعه جداگانه، آنها نشان دادند که از مکانیسم خود – ترمیم همچنین می توان برای تشخیص آسیب استفاده نمود. خطوط جدید الکتریکی در مناطقی که آسیب دیده اند شکل می گیرد. اگر سیگنال الکتریکی وارد شود، نشان دهنده آسیب است.
 طرح های بخش بخشی شعاع حتی می تواند به نفع حوزه هوا فضا باشد. تغییر شکل بال هایی که می توانند هندسه خود را به طور اساسی تغییر دهند، اما نیروهای ایرودینامیکی زیادی را تحمل می کنند، می تواند در نحوه برخاست، مانور و فرود هواپیما انقلابی ایجاد کند.ترکیبی از فلز مایع و لاستیک به مواد راه جدیدی را برای حس و پردازش محیط ارائه کرد – و این یعنی شکل جدیدی از هوش تجسم یافته. باز آرایی فلز مایع به ماده اجازه می دهد که، به دلیل وجود یک پاسخ الکتریکی، بداند که چه زمانی آسیب دیده است.
   
تصویر: الاستومرهای کریستال مایع نوعی مواد حافظه ای مربوط به شکل هستند که می توانند به شکل خاصی برنامه ریزی شوند، مانند این صورت سه بعدی، و سپس برگشت پذیر به شکل دیگری مانند ورق تخت هستند. جف فیتلو/دانشگاه رایس، CC BY-ND
 
حافظه مربوط به شکل نمونه دیگری از هوش تجسم یافته در مواد است. این بدان معناست که مواد می توانند به گونه ای برگشت پذیر به شکل تجویز شده تغییر شکل دهند. مواد حافظه مربوط به شکل کاندیدهای خوبی برای حرکت خطی در روباتیک نرم هستند که می توانند مانند ماهیچه دو سر بازو به جلو و عقب حرکت کنند. اما آنها همچنین قابلیت های تغییر شکل منحصر به فرد و پیچیده ای را ارائه می دهند.
 
به عنوان مثال، دو گروه از دانشمندان مواد اخیراً نشان دادند که چگونه می توان یک دسته از مواد را به صورت برگشت پذیر از یک ورقه لاستیکی تخت به یک نقشه توپوگرافی سه بعدی از یک چهره تبدیل کرد. انجام چنین کاری با موتورها و چرخ دنده های سنتی کار دشواری است، اما به دلیل هوش تعبیه در مواد، انجام آن برای این دسته از مواد ساده است. محققان از دسته ای از مواد معروف به الاستومرهای کریستال مایع استفاده کردند که گاهی اوقات به عنوان ماهیچه های مصنوعی توصیف می شوند زیرا می توانند با استفاده از محرکی مانند گرما، نور یا الکتریسیته منبسط و منقبض شوند.
مفصل های بخش بخشی در استخوان های بلند و نازک باله ماهی برای خواص مکانیکی باور نکردنی باله ها بسیار مهم هستند و این طرح می تواند الهام بخش سیستم های پیشرانه پیشرفته زیر آب، مواد روباتیک جدید و حتی طرح های جدید هواپیما باشد.

همه را کنار هم بگذارید

با الهام گرفتن از کامپوزیت فلز مایع و مواد تغییر شکل دهنده، من و همکارانم اخیراً یک کامپوزیت نرم با چند منظورگی بی سابقه ایجاد کردیم.
 
نرم و کشش پذیر است و می تواند گرما و برق را هدایت کند. می تواند شکل خود را، برخلاف لاستیک معمولی،  به طور فعال تغییر دهد. از آن جا که کامپوزیت ما به راحتی الکتریسیته را هدایت می کند، تغییر شکل می تواند به صورت الکتریکی فعال شود. از آن جا که نرم و تغییر شکل پذیر است، در برابر آسیب های قابل توجه نیز مقاوم است. از آن جا که می تواند الکتریسیته را هدایت کند، کامپوزیت می تواند با قطعات الکترونیکی سنتی ارتباط برقرار کرده و به صورت پویا به لمس پاسخ دهد.
 
علاوه بر این، کامپوزیت ما می تواند خود را ترمیم کرده و آسیب را به روشی کاملاً جدید تشخیص دهد. آسیب، خطوط جدید رسانای الکتریکی ایجاد می کند که تغییر شکل را در مواد فعال می کند. کامپوزیت در صورت سوراخ شدن خود به خود منقبض می شود.
   
تصویر: بالا: کامپوزیت سنجش آسیب به یک دیود ساطع کننده نور متصل می شود تا نشان دهد هدایت فعال است. هنگامی که آسیب به اندازه کافی شدید باشد، مسیرهای رسانای جدیدی ایجاد می شود. مسیرهای رسانایی جدید باعث می شود که کامپوزیت با فعال کردن "پاسخ" دهد. پایین: کامپوزیت می تواند به صورت برگشت پذیر به روش های پیچیده تغییر شکل دهد، مانند این گنبد که هنگام فعال شدن صاف می شود. فورد و همکاران ، PNAS 22 اکتبر 2019 116 (43) 21438-21444 ، CC BY-ND
 
در فیلم "ترمیناتور 2: روز قضاوت"، اندروید T-1000  تغییر شکل دهنده می تواند مایع شود؛ می تواند شکل، رنگ و بافت را تغییر دهد؛ در مقابل آسیب مکانیکی مصون است؛ و قدرتی فوق بشری را به نمایش می گذارد. چنین روبات پیچیده ای به مواد پیچیده چند منظوره نیاز دارد. در حال حاضر، موادی که می توانند محیط خود را مانند این کامپوزیت های تغییر شکل دهنده حس کنند، پردازش کنند و به آن واکنش نشان دهند، به واقعیت تبدیل شده اند.
 
اما برخلاف T-1000، این مواد جدید نیروی بدی نیستند - آنها راه را برای دستگاه های کمکی نرم مانند پروتز، روبات های همراه، فناوری های اکتشاف از راه دور، آنتن هایی که می توانند شکلشان را تغییر دهند و برنامه های کاربردی بیشتری که مهندسان هنوز استفاده نکرده اند و حتی هنوز خوابش را ندیده اند، هموار می کنند.
 
منبع: فرانسوا بارتلات، University of Colorado Boulder، مایکل فورد، Carnegie Mellon University