اعتبار: © Feng Yu / Adobe Stock
گزارش کامل
محققان، یک نوع جدید از روبات چاپ سه بعدی شده ریز را ایجاد کرده اند که با مهار ارتعاش از طریق دستگاه های فعال ساز پیزوالکتریک، منابع فراصوت، یا حتی بلندگوهای ریز حرکت می کند. دسته هایی از این " میکروروبات‌های زبر مو" ممکن است با هم کار کنند تا تغییرات محیطی را حس کنند، مواد را جابجا کنند، یا شاید روزی در داخل بدن انسان آسیب دیدگی‌ها را ترمیم کنند.
روبات های نمونه اولیه، بسته به پیکربندی هایشان، به فرکانس های مختلف ارتعاشی پاسخ می دهند و به محققان اجازه می دهند تا با تنظیم ارتعاشات، روبات های منفرد را کنترل کنند. با طول تقریبی دو میلیمتر - در حدود اندازه‌ی کوچکترین مورچه در جهان – این روبات ها می توانند چهار برابر طول خود را در یک ثانیه، علیرغم محدودیت های فیزیکی اندازه کوچکشان، پوشش دهند.
آزاده انصاری، استادیار دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر در موسسه فناوری جورجیا، گفت: "ما در تلاش هستیم تا تکنولوژی را قوی کنیم و برنامه های کاربردی زیاد بالقوه‌ای در ذهن داریم." "ما در تقاطع مکانیک، الکترونیک، زیست شناسی و فیزیک کار می کنیم. این منطقه‌ای بسیار غنی است و جای زیادی برای مفاهیم چند رشته ای در آن وجود دارد."
مقاله ای که میکروروبات‌های زبر مو را توصیف می کند برای انتشار در مجله میکرومکانیک و میکرومهندسی پذیرفته شده است. این تحقیق با کمک مالی از مؤسسه الکترونیک و نانوتکنولوژی جورجیا تِک حمایت شد. علاوه بر انصاری، تیم تحقیقاتی شامل جون اویدا، دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک جرج دبلیو وودرُف، و دانشجویان تحصیلات تکمیلی دینگیو کیم و ژیجیان (کریس) هاو هستند.
میکروروبات زبر مو متشکل از یک فعال ساز پیزوالکتریک چسبیده بر روی یک بدنه پلیمری است که با استفاده از لیتوگرافی پلیمریزاسیون دو فوتونی (TPP) چاپ سه بعدی شده است. فعال ساز ارتعاش تولید می کند و به صورت خارجی نیرو می گیرد زیرا هیچ باتری‌ای به آن اندازه کوچک نیست که بتواند روی روبات فیت شود. ارتعاش ها همچنین می توانند از یک لرزاننده پیزوالکتریک در زیر سطحی که روبات ها روی آن حرکت می کنند، از یک منبع اولتراسوند / سونار، یا حتی از یک بلندگوی صوتی ریز، بیایند.
ارتعاشات، پاهای فنری را به سمت بالا و پایین حرکت می دهد و میکروروبات را به جلو سوق می دهد. هر روبات می تواند برای پاسخ به فرکانس های مختلف ارتعاشی، بسته به اندازه، قطر، طراحی و هندسه کلی پا، طراحی شده باشد. دامنه ارتعاشات، سرعتی را که در آن میکروروبات حرکت می کند کنترل می کند.
انصاری توضیح داد: "همانطور که میکروروبات‌های زبر مو به سمت بالا و پایین حرکت می کنند، حرکت عمودی، با بهینه سازی طراحی پاها که شبیه موی زبر به نظر می رسند، به یک حرکت هدایتی برگردانده می شود." "پاهای میکروروبات با زوایای خاصی طراحی شده اند که به آنها اجازه می دهد خم شوند و در یک جهت در پاسخ تشدید شده به ارتعاش حرکت کنند."
میکروروبات‌های زبر مو، با استفاده از فرایند TPP که روشی برای پلیمریزاسیون مواد رزین مونومر است، در یک چاپگر سه بعدی ساخته می شوند. هنگامی که بخشی از بلوک رزین که تحت تابش نور ماوراء بنفش قرار گرفته است از لحاظ شیمیایی توسعه یافت، باقیمانده می تواند شسته و دورریز شود که ساختار مورد نیاز روبات باقی می ماند.
انصاری توضیح داد: "این بیشتر نوشتن است تا لیتوگرافی سنتی. شما می مانید و ساختاری که با لیزر بر روی ماده رزین می نویسید. فرآیند در حال حاضر زمان زیادی طول می کشد، بنابراین ما در حال بررسی راه هایی برای بزرگ مقیاس کردن آن برای ایجاد صدها یا هزاران میکروروبات در یک زمان هستیم." برخی از روبات ها دارای چهار پا هستند، در حالی که دیگران دارای شش پا هستند. اولین نویسنده دیگیو کیم صدها ساختار ریز را برای تعیین پیکربندی ایده آل ساخت.
فعال سازهای پیزوالکتریک که از ماده تیتانات زیرکونات سرب (PZT) استفاده می کنند، زمانی که ولتاژ الکتریکی بر روی آنها اعمال می شود، ارتعاش می کنند. برعکس، از آنها، وقتی که در حال لرزش هستند، همچنین می توان برای تولید یک ولتاژ استفاده کرد، و این قابلیتی است که میکروروبات های زبر مو می توانند برای روشن کردن آنبورد حسگرها، هنگامی که آنها با ارتعاشات خارجی فعال می شوند، مورد استفاده قرار دهند.
انصاری و تیم او در حال تلاش برای افزودن قابلیت هدایتی به روبات ها با اتصال دو میکروروبات زبر موی کمی متفاوت به یکدیگر هستند. دسته هایی از این " میکروروبات‌های زبر مو" ممکن است با هم کار کنند تا تغییرات محیطی را حس کنند، مواد را جابجا کنند، یا شاید روزی در داخل بدن انسان آسیب دیدگی‌ها را ترمیم کنند. از آنجا که هر میکروروبات متصل به فرکانس های ارتعاشی متفاوتی پاسخ می دهد، ترکیب آنها می تواند با تغییر فرکانس ها و دامنه ها هدایت شود. او گفت: "هنگامی که شما یک میکروروبات کاملا قابل هدایت دارید، می توانید تصور کنید که کارهای جالب زیادی را می توانید انجام دهید."
انصاری خاطرنشان کرد که محققان دیگر بر روی میکرو روبات هایی که از میدان‌های مغناطیسی برای تولید حرکت استفاده می کنند کار کرده اند. در حالی که این امر برای حرکت دادن یکجای تمام گروه ها مفید است، از نیروهای مغناطیسی نمی توان به راحتی برای حرکت دادن روبات های منفرد در یک گروه استفاده کرد. اعتقاد بر این است که میکروروبات های زبر موی ایجاد شده توسط انصاری و تیم او کوچکترین روبات های قادر به نیرو گرفتن از ارتعاش هستند.
میکروروربات های زبر مو تقریبا دو میلی متر طول، 1.8 میلی متر عرض و 0.8 میلی متر ضخامت دارند و وزن هر کدام حدود پنج میلی گرم است. چاپگر سه بعدی می تواند ربات های کوچکتر را هم تولید کند، اما با جرم کاهش یافته، نیروهای چسبندگی بین دستگاه های ریز و یک سطح می تواند بسیار بزرگ شود. گاهی اوقات، میکروروبات ها را نمی توان از انبرک های مورد استفاده برای برداشتن آنها جدا کرد.
روبات های نمونه اولیه، بسته به پیکربندی هایشان، به فرکانس های مختلف ارتعاشی پاسخ می دهند و به محققان اجازه می دهند تا با تنظیم ارتعاشات، روبات های منفرد را کنترل کنند. با طول تقریبی دو میلیمتر - در حدود اندازه‌ی کوچکترین مورچه در جهان – این روبات ها می توانند چهار برابر طول خود را در یک ثانیه، علیرغم محدودیت های فیزیکی اندازه کوچکشان، پوشش دهند.
آزاده انصاری، استادیار دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر در موسسه فناوری جورجیا، گفت: "ما در تلاش هستیم تا تکنولوژی را قوی کنیم و برنامه های کاربردی زیاد بالقوه‌ای در ذهن داریم." "ما در تقاطع مکانیک، الکترونیک، زیست شناسی و فیزیک کار می کنیم. این منطقه‌ای بسیار غنی است و جای زیادی برای مفاهیم چند رشته ای در آن وجود دارد."
مقاله ای که میکروروبات‌های زبر مو را توصیف می کند برای انتشار در مجله میکرومکانیک و میکرومهندسی پذیرفته شده است. این تحقیق با کمک مالی از مؤسسه الکترونیک و نانوتکنولوژی جورجیا تِک حمایت شد. علاوه بر انصاری، تیم تحقیقاتی شامل جون اویدا، دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک جرج دبلیو وودرُف، و دانشجویان تحصیلات تکمیلی دینگیو کیم و ژیجیان (کریس) هاو هستند.
میکروروبات زبر مو متشکل از یک فعال ساز پیزوالکتریک چسبیده بر روی یک بدنه پلیمری است که با استفاده از لیتوگرافی پلیمریزاسیون دو فوتونی (TPP) چاپ سه بعدی شده است. فعال ساز ارتعاش تولید می کند و به صورت خارجی نیرو می گیرد زیرا هیچ باتری‌ای به آن اندازه کوچک نیست که بتواند روی روبات فیت شود. ارتعاش ها همچنین می توانند از یک لرزاننده پیزوالکتریک در زیر سطحی که روبات ها روی آن حرکت می کنند، از یک منبع اولتراسوند / سونار، یا حتی از یک بلندگوی صوتی ریز، بیایند.
ارتعاشات، پاهای فنری را به سمت بالا و پایین حرکت می دهد و میکروروبات را به جلو سوق می دهد. هر روبات می تواند برای پاسخ به فرکانس های مختلف ارتعاشی، بسته به اندازه، قطر، طراحی و هندسه کلی پا، طراحی شده باشد. دامنه ارتعاشات، سرعتی را که در آن میکروروبات حرکت می کند کنترل می کند.
انصاری توضیح داد: "همانطور که میکروروبات‌های زبر مو به سمت بالا و پایین حرکت می کنند، حرکت عمودی، با بهینه سازی طراحی پاها که شبیه موی زبر به نظر می رسند، به یک حرکت هدایتی برگردانده می شود." "پاهای میکروروبات با زوایای خاصی طراحی شده اند که به آنها اجازه می دهد خم شوند و در یک جهت در پاسخ تشدید شده به ارتعاش حرکت کنند."
میکروروبات‌های زبر مو، با استفاده از فرایند TPP که روشی برای پلیمریزاسیون مواد رزین مونومر است، در یک چاپگر سه بعدی ساخته می شوند. هنگامی که بخشی از بلوک رزین که تحت تابش نور ماوراء بنفش قرار گرفته است از لحاظ شیمیایی توسعه یافت، باقیمانده می تواند شسته و دورریز شود که ساختار مورد نیاز روبات باقی می ماند.
انصاری توضیح داد: "این بیشتر نوشتن است تا لیتوگرافی سنتی. شما می مانید و ساختاری که با لیزر بر روی ماده رزین می نویسید. فرآیند در حال حاضر زمان زیادی طول می کشد، بنابراین ما در حال بررسی راه هایی برای بزرگ مقیاس کردن آن برای ایجاد صدها یا هزاران میکروروبات در یک زمان هستیم." برخی از روبات ها دارای چهار پا هستند، در حالی که دیگران دارای شش پا هستند. اولین نویسنده دیگیو کیم صدها ساختار ریز را برای تعیین پیکربندی ایده آل ساخت.
فعال سازهای پیزوالکتریک که از ماده تیتانات زیرکونات سرب (PZT) استفاده می کنند، زمانی که ولتاژ الکتریکی بر روی آنها اعمال می شود، ارتعاش می کنند. برعکس، از آنها، وقتی که در حال لرزش هستند، همچنین می توان برای تولید یک ولتاژ استفاده کرد، و این قابلیتی است که میکروروبات های زبر مو می توانند برای روشن کردن آنبورد حسگرها، هنگامی که آنها با ارتعاشات خارجی فعال می شوند، مورد استفاده قرار دهند.
انصاری و تیم او در حال تلاش برای افزودن قابلیت هدایتی به روبات ها با اتصال دو میکروروبات زبر موی کمی متفاوت به یکدیگر هستند. دسته هایی از این " میکروروبات‌های زبر مو" ممکن است با هم کار کنند تا تغییرات محیطی را حس کنند، مواد را جابجا کنند، یا شاید روزی در داخل بدن انسان آسیب دیدگی‌ها را ترمیم کنند. از آنجا که هر میکروروبات متصل به فرکانس های ارتعاشی متفاوتی پاسخ می دهد، ترکیب آنها می تواند با تغییر فرکانس ها و دامنه ها هدایت شود. او گفت: "هنگامی که شما یک میکروروبات کاملا قابل هدایت دارید، می توانید تصور کنید که کارهای جالب زیادی را می توانید انجام دهید."
انصاری خاطرنشان کرد که محققان دیگر بر روی میکرو روبات هایی که از میدان‌های مغناطیسی برای تولید حرکت استفاده می کنند کار کرده اند. در حالی که این امر برای حرکت دادن یکجای تمام گروه ها مفید است، از نیروهای مغناطیسی نمی توان به راحتی برای حرکت دادن روبات های منفرد در یک گروه استفاده کرد. اعتقاد بر این است که میکروروبات های زبر موی ایجاد شده توسط انصاری و تیم او کوچکترین روبات های قادر به نیرو گرفتن از ارتعاش هستند.
میکروروربات های زبر مو تقریبا دو میلی متر طول، 1.8 میلی متر عرض و 0.8 میلی متر ضخامت دارند و وزن هر کدام حدود پنج میلی گرم است. چاپگر سه بعدی می تواند ربات های کوچکتر را هم تولید کند، اما با جرم کاهش یافته، نیروهای چسبندگی بین دستگاه های ریز و یک سطح می تواند بسیار بزرگ شود. گاهی اوقات، میکروروبات ها را نمی توان از انبرک های مورد استفاده برای برداشتن آنها جدا کرد.
مترجم: علی رضایی میرقائد
منبع: مؤسسه فناوری جورجیا
