کنترل روبات‌های نرم با استفاده از میدان‌های مغناطیسی

شکل دادن به پایه حافظه حاوی ذرات مغناطیسی زنجیر شده. (A) تحریک و (B و C) شبیه سازی هایی از یک فیلم پایه DiAPLEX که حاوی ذرات مغناطیسی زنجیر شده است. آهنربای دائمی و LED در پانل سمت چپ بالا نشان داده شده اند. (B) کنتورها درجه تحریک (0 ، فلت ، 1 ، تماس با آهنربا) از یک فیلامان شبیه سازی شده در سرتاسر طیف وسیعی از موقعیت ها و دما را نشان می دهند. (C) در حالی که شبیه سازی شده اند تصاویر همچنان مربوطند به نقاط مجزا در طول مسیر مشخص شده در (B) ، در یک فاصله 2.3 سانتی متری از آهنربا، که مطابق با هندسه آزمایشی در سمت چپ است. اعتبار: جسیکا A.-C. لیو ، دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی.
 
محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و دانشگاه الون تکنیکی را ایجاد کرده اند که به آنها امکان می دهد از راه دور حرکت روبات های نرم را کنترل کنند ، آنها را تا زمانی که لازم باشد در موقعیت خود قفل کنند و بعداً روبات ها را به شکل های جدید پیکربندی مجدد کنند. این تکنیک متکی بر نور و میدان های مغناطیسی است.
 
جو تریسی ، استاد علوم و مهندسی مواد در ایالت کارولینای شمالی و مؤلف مکاتبه ای مقاله ای در این کار، می گوید: "ما به خصوص در مورد قابلیت پیکربندی مجدد بسیار هیجان زده هستیم." وی ادامه داد: "با مهندسی کردن خصوصیات مواد می توان حرکت روبات نرم را از راه دور کنترل کرد ؛ می توانیم آن را آنگونه سازیم که شکل مشخصی را در خود نگه دارد ؛ سپس می توانیم روبات را به شکل اصلی خود برگردانیم یا حرکات آن را بیشتر اصلاح کنیم ؛ و می توانیم بارها و بارها این کار را انجام دهیم. از نظر کاربردپذیریِ این فناوری در برنامه های کاربردی زیست پزشکی یا هوا فضا، همه این موارد با ارزش هستند."
 
محققان برای این کار از روبات های نرم ساخته شده از پلیمر جاسازی شده با میکرو ذرات آهن مغناطیسی استفاده کردند. در شرایط عادی ، ماده نسبتاً سفت است و شکل خود را حفظ می کند. با این حال ، محققان می توانند با استفاده از نورِ یک دیود نورافشان (LED) این ماده را گرم کنند ، و این باعث می شود پلیمر نرم شود. وقتی نرم شد، محققان نشان دادند که آنها می توانند با استفاده از یک میدان مغناطیسی ، شکل روبات را از راه دور کنترل کنند. پس از فرم دادن به شکل مطلوب، محققان توانستند نور LED را بردارند و اجازه دهند که روبات سختی اصلی خود را بازیابی کند – و به طور مؤثر شکل را در محل قفل کند.
 
با به کار بردن نور برای بار دوم و برداشتن میدان مغناطیسی، محققان توانستند روبات های نرم را به شکل های اولیه خود برگردانند. یا این که آنها توانستند مجدداً نور را به کار گیرند و میدان مغناطیسی را برای جا به جایی روبات ها یا وادار کردنشان به گرفتن شکل های جدید دستکاری کنند.
 
در تست آزمایشی ، محققان نشان دادند که می توان از روبات های نرم برای شکل دادن به "چنگ زننده ها" برای بلند کردن و حمل اشیاء استفاده کرد. از روبات های نرم همچنین می توان به عنوان پایه استفاده کرد و یا با گلبرگهایی که در جهت های مختلف خم می شوند می توان آنها را به صورت گل پیچید.
 
جسیکا لیو ، نویسنده اول مقاله و دانشجوی دکتری در ایالت کارولینای شمالی، می گوید: "ما فقط به پیکربندی های دودویی محدود نمی شویم ، مثل این که یک چنگ زننده یا باز باشد یا بسته باشد." "ما می توانیم نور را کنترل کنیم تا اطمینان حاصل شود که یک روبات در هر نقطه شکل خود را حفظ خواهد کرد."
 
علاوه بر این ، محققان یک مدل محاسباتی توسعه دادند که می تواند برای ساده و مؤثر سازی روند طراحی روبات نرم مورد استفاده قرار گیرد. محققان نشان دادند که می توان از روبات های نرم برای شکل دادن به "چنگ زننده ها" برای بلند کردن و حمل اشیاء استفاده کرد. این مدل به آنها اجازه می دهد تا قبل از ساختن نمونه اولیه برای انجام یک کار ویژه ، شکل یک روبات ، ضخامت پلیمر ، فراوانی میکرو ذرات آهن در پلیمر، و اندازه و جهت میدان مغناطیسی مورد نیاز را به نحو دقیقی میزان کنند.
 
تریسی می گوید: "مراحل بعدی شامل بهینه سازی پلیمر برای برنامه های کاربردی مختلف است." "برای مثال ، مهندسی پلیمرهایی که در دماهای مختلف پاسخ می دهند به منظور پاسخگویی به نیازهای برنامه های خاص."
 
مقاله "پیکربندی مجدد کنترل شده فوتوگرمایی و مغناطیسی کامپوزیت های پلیمری برای روباتیک نرم" ، در مجله پیشرفت های علم آمده است. اولین نویسنده مقاله جسیکا لیو ، دانشجوی دکتری در ایالت کارولینای شمالی است. نویسنده همکار این مقاله جاناتان گیلن ، دانشجوی سابق کارشناسی ارشد در ایالت کارولینای شمالی است.
 

همچنان که دیدیم این تیم از محققان مهندسی با استفاده از میدانهای مغناطیسی برای دستکاری از راه دور زنجیره های میکروذره جاسازی شده در دستگاههای روباتیک نرم، پیشرفتی اساسی در کنترل روباتهای به اصطلاح نرم حاصل کردند. محققان تاکنون چندین دستگاه را ایجاد کرده اند که از این تکنیک جدید استفاده می کنند.
 
جو تریسی می گوید: "با قرار دادن این زنجیره های خود مونتاژ در روبات های نرم ، ما قادر خواهیم بود که آنها را وادار به عملکردهای پیچیده تری نماییم در حالی که همچنان طرح های نسبتاً ساده ای را حفظ می کنند." "برنامه های کاریِ ممکن برای این دستگاه ها طیفی دارد از پمپ های از دور روشن شونده برای تحویل دارو تا توسعه ساختارهای قابل گسترش از راه دور."
 
این تکنیک جدید مبتنی است بر کار قبلی در زمینه خود مونتاژی کامپوزیت های فعال شده از طریق مغناطیسی توسط تریسی و اورلین وِلِف ، استاد شیمی و مهندسی زیست مولکول INVISTA در ایالت کارولینای شمالی.
 
برای این مطالعه ، محققان ریز ذرات آهن را در یک مخلوط پلیمر مایع معرفی کرده و سپس یک میدان مغناطیسی را برای القاء به میکروذرات که شکل زنجیره های موازی بگیرند اعمال کردند. سپس مخلوط خشک شد و از خود یک فیلم نازک از پلیمر الاستیک باقی گذاشت که در آن زنجیره های به خط شده ذرات مغناطیسی جاسازی شده بود.
 
تریسی می گوید: "زنجیره ها به ما اجازه می دهند تا با کنترل یک میدان مغناطیسی که روی زنجیره ذرات مغناطیسی تأثیر می گذارد ، پلیمر را از راه دور به عنوان یک روبات نرم دستکاری کنیم."
 
منبع: دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، و مت شیپمن