مقالات پرطرفدار در مورد روباتیک معمولاً بر روی ویژگی‌های فناوری پیشرفته مانند دستکاری‌کننده‌ها یا بینایی یا دوپا تمرکز می‌کنند، اما افرادی که در واقع باید آنها را بسازند بیشتر نگران قدرت هستند. گزینه های جذاب بسیار کمی برای ماشین هایی وجود دارد که قرار است بدون اتصال در اطراف کار کنند، به خصوص اگر مجبور باشند این کار را در محیط بیرون انجام دهند. باتری ها سنگین هستند، آرایه های انرژی خورشیدی دست و پا گیر هستند، موتورهای احتراق داخلی پر سر و صدا هستند و نیاز به سوخت گیری دارند، و پریزهای برق بسیار کم هستند.

این واقعیتِ زندگی، زنجیره‌ای غیرمعمولی از ارتباط‌هایی را توضیح می‌دهد که کریس کمپبل با بطری‌های ماء الشعیر در حال انفجار خود به تسریع آنها کمک‌کرد. در سال 1996 کمپبل دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک در دانشگاه فلوریدا جنوبی و یک ماء الشعیرساز آماتور مشتاق بود. یک روز او فراموش کرد که برخی از بطری های خود را به درستی تخلیه کند و آنها منفجر شدند. بعداً در همان روز او تجربیات خود را به استاد خود، که یک روباتیک به نام استوارت ویلکینسون بود، گفت. ویلکینسون فکر می کند: "آها"!

چیزی که ویلکینسون دید این بود که انرژی ماء الشعیرسازی را می توان برای حل مشکل قدرت روبات به کار برد. می‌توانید قندها را به مخمر تغذیه کنید و دی اکسید کربن (و الکل) تولید کنید و سپس از فشار CO2 برای چرخاندن چرخ‌ها استفاده کنید و روبات را به سمت جلو حرکت دهید. ویلکینسون با اشاره به فرآیند مشابهی که در طول هضم انسان اتفاق می‌افتد، می‌گوید: «ما آن را «موتور نفخ» نامیدیم.

نکته و حُسن موتور نفخ این بود که قند به طور طبیعی در تمامی گیاهان وجود دارد و گیاهان فراوان، در دسترس، و استفاده از آنها آزاد است و در 24 ساعت شبانه روز، باران یا درخشش آفتاب (حداقل در خارج از شهرها) در دسترس است. روباتی که بتواند تخمیر کننده خود را سیر نگه دارد و از سلامتی خوبی برخوردار باشد، هیچ نگرانی‌ای بیشتر از نگرانی یک بز را نخواهد داشت. یکی از کاربردهای آشکار، مجموعه کاملی از روبات‌های باغبانی است - ماشین‌های چمن‌زن، ماشین‌های اصلاح، علف‌برها - که قدرت خود را از هضم محصول کاری خود می‌گیرند. کشاورزان ممکن است کاملاً مستقل از انرژی شوند و برای انرژی لازم برای تمام ماشین آلات خود، مستقیماً از بخش کوچکی از محصولات خود استفاده کنند. پلتفرم‌های حسگر سیار می‌توانند برای پرسه زدن در مناطق بیابانی، جمع‌آوری داده‌ها برای مدیریت جنگل، نظارت بر محیط‌زیست و تحقیقات زیست‌محیطی ارسال شوند. صف طویلی از مردم وجود دارند که ممکن است به ماشین‌های اقیانوس پیمایی علاقه‌مند باشند که می‌توانند با فیلتر کردن جلبک‌ها یا پلانکتون‌ها از آب، مانند نهنگ‌های بالین، خود را تغذیه کنند، یا می‌توانند در کف اقیانوس بنشینند و مانند صدف‌ها زندگی کنند. کاربردهای نظامی شامل تک تیراندازان روبات -- تفنگ هایی که در جنگل زندگی می کنند -- و گشت زنی شناسایی خودکار می باشد. از روبات‌های آزاد می‌توان برای تماشای مرزهای ملی و مبارزه با شکارچیان استفاده کرد. کمی دورتر، ماشین‌ها ممکن است به آنتی‌بادی‌های یک سیستم ایمنی زیست‌محیطی تبدیل شوند - مجهز به شناسایی و خوردن مهاجمان زیست‌محیطی.

در نهایت کمپبل و ویلکینسون مجبور شدند به این نتیجه برسند که اگرچه موتور نفخ از نظر مفهومی یک پیشرفت محسوب می شد، اما واقعاً عملی نبود. یک روبات مفید تقریباً به طور قطع باید رایانه، رادیو، چراغ های ناوبری و هشدار، احتمالاً دوربین و بسیاری از انواع دیگر حسگرها را داشته باشد. تمام این وسایل برق مصرف می کنند و موتور نفخ که مکانیکی است نمی تواند آن را تامین کند. (انرژی مکانیکی را می توان به انرژی الکتریکی تبدیل کرد، اما ناکارآمدی های مربوط به آن ناامیدکننده بوده است.)

با این حال، این ایده تحقیقات او را متمرکز کرد، و به زودی ویلکینسون به طور تصادفی به کار یک الکتروشیمی‌دان انگلیسی پیکارگر به نام H. Peter Bennetto برخورد کرد. بنتو که در آن زمان بازنشسته شده بود، در کالج کینگ در لندن بر روی ابزارهایی برای آوردن برق به جهان سوم کار کرده بود که از نظر محیط زیست سالم بودند و منجر به وابستگی به واردات نفت نمی شدند. به عنوان بخشی از این کار، او به یک مرجع در زمینه برق تولید شده بیولوژیکی تبدیل شده بود. (در نهایت، تمام موجودات زنده با جریان الکتریسیته تحرک دارند.) موجودات زنده نیروی الکتریکی خود را به صورت شیمیایی، با ساخت اتم ها یا یون های باردار الکتریکی در داخل سلول ها تولید می کنند. سپس این یون‌ها جریان‌های الکترونی را در سراسر سلول سازماندهی می‌کنند و قدرت را به هر جایی که لازم است می‌رسانند.

بنتو یک ماده شیمیایی کشف کرد که می توانست به دیواره سلول نفوذ کند، مقداری از این الکترون ها را جذب کند و سپس خارج شود. هنگامی که این مواد شیمیایی از سلول خارج می شوند، می توانند برای ریختن الکترون های منحرف شده تحریک شوند و یک گرادیان یا پتانسیل الکتریکی ایجاد کنند. او همچنین دریافت که بسیاری از گونه‌های باکتری می‌توانند تا 80 درصد از الکترون‌هایی را که می‌سازند از دست بدهند، بدون این که دچار عوارض بد آشکاری شوند. این حقایق در یک چشم انداز بزرگ از شبکه های نیروگاه های پایدار که در سراسر ملل در حال ظهور توزیع شده اند، ترکیب شدند، و الکتریسیته را از فرهنگ های باکتریایی تغذیه شده با پوشش گیاهی محلی جمع آوری کردند. کار او نزدیک به ثبت رکورد به عنوان سبزترین شکل ممکن تولید برق است.

در حالی که پیل سوختی میکروبی (آن چنان که این دستگاه، با این عنوان نامیده می شود) مورد توجه بخش انرژی جهان سوم قرار نگرفته است، قطعاً در فلوریدا جنوبی زنگ خطر را به صدا درآورد. کشف تحقیقات بنتو باعث شد ویلکینسون به اندازه کافی اعتماد به نفس داشته باشد تا حرفه خود را مطالعه و طراحی روی روبات‌های معده - روبات‌هایی با معده – قرار دهد. امروزه ویلکینسون یک دستگاه ارزیابی ساده دارد – که اساساً قطاری است با سه واگن 7 اینچی در 11 اینچی که از شکر تصفیه شده تغذیه می‌شود و در آزمایشگاه او در اطراف یک مسیر حرکت می‌کند. او آن را "gastronome" می نامد. (مؤسسه Gastrobotics توسط شرکت تامپا الکتریک تأمین مالی می شود، و ظاهراً بیشتر از بسیاری از شرکت ها آینده نگر است.)

این مهندس می‌گوید از برخی از شهروندان، نامه هایی دریافت می‌کند که نگران این هستند که با این کار قدرت نفوذ ما بر روبات‌ها دور انداخته شود و آنها آزادی لازم را برای تبدیل شدن به گونه غالب به دست آورند. این به اندازه کافی بد است که آنها بتوانند خودشان را تغذیه کنند؛ فرض کنید روزی آنها قدرت احساس طعم گوشت را پیدا کنند؟ محتوای انرژی پروتئین حیوانی به مراتب بیشتر از پروتئین گیاهی است. (در واقع یک تیم در ریدینگ انگلستان وجود دارد که در حال ساخت روبات معده‌ای است که بر اساس پروتئین حیوانی، به ویژه آفات باغی، زندگی می‌کند. آنها دستگاه خود را "slugbot" می‌نامند.) فرض کنید گاستروبات‌ها کارخانه‌های سازنده خودشان - که بدون شک خودکار خواهند بود - را تصاحب کردند. آن وقت ما در چه موقعیتی خواهیم بود؟ رانده شدن به گوشه های تاریک جهان توسط ماشین های خستگی ناپذیر، شکننده و گوشت خوار.

gastronome به این زودی ها به بیرون راه پیدا نخواهد کرد. Gastrobotics یک ایده کاملاً جدید در مهندسی مکانیک است و لیستی طولانی از مشکلات را در پیشِ رو دارد. یک محیط داخلی باید طراحی شود که میکروب های نیروزا را برای ماه ها راضی نگه دارد. این ماشین‌ها به توانایی تمایز بین غذاهایی که میکروب‌هایشان را خوشحال نگه می‌دارد از آنهایی که آنها از بین می‌برد نیاز دارند. مشکل بهداشت شخصی بسیار پیچیده است (چگونه سطوح تمیز کننده را تمیز می کنید؟) اما این کار، ضروری است، زیرا کمی کثیفی یا الیاف سرگردان در مکان نامناسب می تواند انرژی زیادی را هدر دهد. ویلکینسون کشف کرده است که اگر کلنی های باکتریایی به جای غذا خوردن در زمان های مختلف، به طور مداوم در طول روز تغذیه شوند، 20 درصد قدرت بیشتر تولید می کنند، که نشان می دهد گاستروبات ها به حس گرسنگی و سیری دقیقی نیاز دارند. باید راه‌هایی برای جلوگیری از دفع ماده شیمیایی حامل الکترون در هنگام استراحت گاستروبات پیدا شود، به این معنی که دستگاه‌ها به کلیه نیاز خواهند داشت.

با این حال، وجود آنها به نظر اجتناب ناپذیر می آید. گاستروبات دو گرایش قوی در فناوری مدرن را ترکیب می کند: یافتن راه هایی برای برداشت نیرو از منابع محلی (خورشید، باد، زمین گرمایی) و وام گرفتن ایده های طراحی از زیست شناسی. شاید روزی ما ماشین‌هایی وحشی داشته باشیم که در محیط زیست پرسه می‌زنند، و خودبسنده، کاملاً خودمختار، و غیرپاسخگو به هیچ اربابی جز خودشان و سرنوشت هستند.

آن چنان که گفته شد در مجموع یادآور می شویم که Gastrobot یا گاسنروبات که به معنای واقعی کلمه "روبات معده" است، اصطلاحی است که در سال 1998 توسط مدیر مؤسسه دانشگاه فلوریدا جنوبی، دکتر استوارت ویلکینسون ابداع شد. گاستروبات «...یک ماشین (روبات) هوشمند است که تمام انرژی مورد نیاز خود را از هضم غذای واقعی به دست می آورد. انرژی دریافتی گاستروبات ممکن است به شکل کربوهیدرات، لیپید و غیره باشد یا ممکن است منبع ساده‌تری مانند الکل داشته باشد.»

منبع انرژی‌ای که معمولاً برای این روبات استفاده می شود مخلوطی از مولکول های کربوهیدرات و پروتئین است. این روبات این مولکول ها را از طریق یک پیل سوختی میکروبی (microbial fuel cell) (MFC) به دست می آورد که غذا را به گاز و دیگر انرژی های پتانسیل تبدیل می کند. گازها و مایعات به قدرت بخشی به چیزهایی مانند پیل سوختی هیدروژنی کمک می کنند که این به تولید انرژی بیشتر - و گازهای دیگری کمک می کند که به مکانیک گاستروبات کمک می کنند.

این روبات ها ممکن است قادر به انجام انواع خاصی از مأموریت های به اصطلاح «شروع و فراموش کردن» باشند، مانند کمک به حفظ یک محیط زیست محیطی خاص با حذف گونه های مهاجم. آن‌ها ممکن است از ورودی‌های حسگرهای نوری برای نرم‌افزار هوش مصنوعی استفاده کنند تا تعیین کنند چه چیزی را می‌توانند برای تبدیل انرژی بخورند.

کاربرد

Gastrobotics (گاستروباتیک) می تواند به کاربران اجازه دهد تا روبات های خود نگهدار را برای مدت طولانی بدون نظارت انسان مستقر کنند. روبات‌های رایج امروزی – که با پنل‌های خورشیدی، باتری‌ها یا دیگر منابع انرژی کار می‌کنند – بدون نظارت انسان، برای تعویض باتری و انجام کارهای دیگر، غیرقابل اعتماد می‌شوند. سایر روبات‌ها برای شارژ مجدد باید به برق متصل شوند، بنابراین نیاز به دسترسی دائمی به پریز برق دارند، که این محدودیت‌هایی را در برد آنها ایجاد می‌کند. روبات های خورشیدی مستقل تر هستند اما برای کارآمدی به سطح وسیعی از صفحات خورشیدی نیاز دارند. این، حجم را افزایش می دهد و برای کارآمد ماندن به شرایط آب و هوایی مناسب و پانل های تمیز نیاز هست. Gastrobotics ممکن است بتواند به طور کامل با استفاده از منابع طبیعی موجود زندگی کند. هدف اصلی این فناوری جدید، تولید روبات‌هایی است که می‌توانند به مأموریت‌هایی بروند که نظارت انسان در آن امکان‌پذیر یا مطلوب نیست.

برخی از نمونه ها عبارتند از:

* ماشین چمن زنی اتوماتیک که با تغذیه از تکه های چمن کار می کند
* روبات چیدن میوه یا آزمایش خاک که از برگ ها یا میوه های افتاده نیرو می گیرد
* روبات‌های کاوشگر که توسط محیط خودشان تغذیه می‌شوند
* اکتشاف در دریا: با تغذیه از خزه دریایی و جلبک
* اکتشاف جنگل: با تغذیه از چمن، میوه و سبزیجات

چگونه کار می کند

منابع انرژی Gastrobotics عمدتاً بر روی استفاده از یک سلول سوختی میکروبی تمرکز دارد. سلول های سوختی میکروبی برای تولید الکتریسیته نیاز به واکنش کاهش اکسیداسیون دارند. یک پیل سوختی میکروبی از باکتری ها استفاده می کند که باید به آنها خورانده شوند. پیل سوختی معمولاً شامل دو محفظه، پایانه های آند و کاتد، است که توسط یک غشای تبادل یونی از هم جدا می شوند.

ابتدا در محفظه آند، باکتری ها الکترون ها را از مواد آلی جدا می کنند و الکترون ها را به الکترود کربن می رسانند. سپس الکترون ها از طریق غشای تبادل یونی به محفظه کاتد حرکت می کنند، جایی که با پروتون ها و اکسیژن ترکیب می شوند و آب را تشکیل می دهند. الکترون هایی که از آند به پایانه های کاتد جریان می یابند، جریان و ولتاژ الکتریکی تولید می کنند. از این نقطه، تحقیقات در حال بررسی استفاده از یک پیل سوختی هیدروژنی برای تقویت انرژی پیل سوختی میکروبی است. پیل سوختی هیدروژنی از محصولات جانبی پیل سوختی میکروبی برای تولید انرژی بیشتر بدون نیاز به مصرف مواد بیشتر استفاده می کند. الزامات Gastrobot عبارتند از:

* برداشت: باید بتواند غذا را از محیط های واقعی جمع آوری کند و در بر دارنده نوعی بازو یا مکانیسم دیگری باشد که غذا را برای مصرف می گیرد.
* جویدن: به نوعی از دهان برای "جویدن" یا تجزیه غذا به قطعات کوچکتر برای سیستم نیاز دارد.
* بلع: "مری" باید غذا را از "دهان" به سلول سوختی میکروبی منتقل کند.
* هضم: پیل سوختی میکروبی "معده" باید انرژی تولید کند.
* اجابت مزاج: روبات معده باید ضایعات را حذف کند تا از تجمع آنها جلوگیری کند.

سوخت

بهترین منبع سوخت برای یک گاستروبات هر چیزی است که کربوهیدرات بالایی داشته باشد. سبزیجات، میوه ها، غلات، حشرات و شاخ و برگ، کاندیدهای خوبی هستند. با این حال، می تواند مواد زائد آلی مانند ادرار، لجن بی هوازی (زباله و فاضلاب زیست تخریب پذیر) و شیرابه دفن زباله را نیز مصرف کند. گوشت می تواند یک سوخت باشد، اما حاوی چربی‌ای بیش از آن حدی است که آن را کارآمد سازد.

فواید

آینده گاستروباتیک مزایای بالقوه زیادی برای جامعه دارد:

* استقلال روبات: یک گاستروبات موفق برای انجام وظایف نیازی به نظارت انسانی ندارد. استقلال آنها می‌تواند کارآیی را با آزاد کردن انسان‌ها برای کار روی امور دیگر بهبود بخشد.
* منبع سوخت سازگار با محیط زیست: گاستروبات، با تجزیه مواد غذایی، به طور بالقوه بر روی یک منبع سوخت کاملا سبز کار می کند. پس از تجزیه غذا به انرژی، آنچه باقی می ماند H2O و O2 (آب و اکسیژن) است. این نوع منبع انرژی ممکن است به روبات‌ها اجازه دهد بدون ایجاد آلودگی کار کنند.

چالش ها

گاستروبات در مراحل اولیه توسعه خود است و بنابراین با چالش های زیادی روبه‌رو است:

* کارایی: نمونه اولیه فعلی ناکارآمد است. حدود 18 ساعت بارگیری کربن برای حدود 15 دقیقه حرکت نیاز دارد. این در هر برنامه دنیای واقعی بی فایده است.
* جست‌وجوی غذا: توسعه باید باعث شود که گاستروبات قادر به مکان‌یابی، شناسایی و به دست آوردن غذا باشد.
* هوشمندی: گاستروبات ها در بسیاری از برنامه های دنیای واقعی به قدرت پردازش بیشتر و کارایی عملیاتی نرم افزار پیچیده نیاز دارند. آنها باید بتوانند مواد غذایی دارای پتانسیل مصرف را بیابند، و آنها را شناسایی کنند و به دست آورند. آنها همچنین باید قادر به شناسایی و سازگاری با محیط های جدید در حین پیروی از دستورالعمل های مأموریت خود باشند.
* مانورپذیری: نمونه اولیه فعلی قدرت مانور بسیار کمی دارد. برای این که روبات بتواند به اطراف حرکت کند، باید بتواند منابع سوخت بالقوه را چنگ زند، برداشت کند، و حرکت دهد. علاوه بر این، روبات باید مقدار غذایی که در یک زمان می خورد را تنظیم کند - مانند یک اشتهای الکترونیکی. اگر روبات مواد آلی بیش از حد مصرف کند ممکن است بیش از حد بارگیری کند و مسدود شود. علاوه بر این، باید بداند که چه زمانی به دنبال غذا بگردد.

همان طور که روبات ها مستقل تر می شوند، باید سازگارتر باشند. اگر یک روبات در یک "مأموریت" قرار داشته باشد، به جای داشتن یک "کار کامل به هر قیمتی" بیشتر باید نسبت به اطرافیان خود حساس باشد.

منبع: فرد هاپگود، fhapgood

روبات‌هایی با معده

کاربرد

چگونه کار می کند

سوخت

فواید

چالش ها

مقالات مرتبط

تازه های مقالات

بیشترین بازدید هفته