روبات هايي که غذا مي خورند!
بعد از ساخت اولين سلول مصنوعي، شاهد پيشرفت کوچک ديگري در زمينه ساخت ارگانيزم هاي مصنوعي هستيم: سيستم گوارش مصنوعي. توانايي اصلي اين سيستم، مي تواند کليدي براي ساخت روبات هاي مستقل باشد- روبات هايي که بتوانند غذاي خود را تامين و تغذيه کنند.
در تلاش براي توليد چنين روبات هايي، محققان به استفاده از مواد انرژي زاي آلي(1) به عنوان منبع انرژي روي آوردند. روبات ها با داشتن سامانه قابل تغذيه خود قادر خواهند بود براي مدت طولاني تري بدون دخالت انسان کار کنند. چنين روبات هايي در گذشته نيز به نمايش در آمده اند روبات هايي که مي توانستند به کمک سلول هاي سوختي ميکروبي يا(2) MFC انرژي توليد کنند. هر چند تاکنون، هيچ کس روي راهي براي دفع زباله زيادي که اين روبات ها بر جا مي گذارند کار نکرده است.
"کريس ملهويش"(3) مدير يک آزمايشگاه علوم روباتي مي گويد اين روبات ها به يک سيستم گوارش مصنوعي احتياج داشتند. او از سه سال پيش تاکنون به همراه گروه کاري اش روي اين موضوع کار کرده است که در نتيجه موفق به ساخت روبات اکوبوت43 شده اند.
ملهويش تاکيد مي کند که diarrhoea-bot روبات خيلي بهتري خواهد بود. البته اين روبات هم زباله توليد خواهد کرد؛ اما اولين روباتي است که با سوخت آلي و بدون کمک انسان کار مي کند. مدل هاي قديمي تر اکوبوت نشان دادند که مي توان نيروي کافي را براي انجام فعاليت هاي اوليه روبات و بعضي از رفتارهاي پيچيده تر روبات، مانند حرکت به سمت منبع نور، توليد کرد. هر چند بعد از تغذيه روبات، کار تميز کردن و جمع آوري فضولات توسط انسان انجام مي شود. با طراحي يک دستگاه گوارش در روبات، اکوبوت3 مي تواند به مدت يک هفته به فعاليت خود بدون دخالت انسان ادامه دهد و بدون کمک، از آب و غذاي مخصوص خود استفاده کند. اکوبوت مثل يک روبات حرف گوش کن، هر بيست و چهار ساعت يک بار، زباله اش را در يک سطل آشغال خالي مي کند.
"يروپولوس"(5) مي گويد راز اين سيستم هاضمه، در استفاده از سيستم بازيابي متکي بر يک پمپ رولي(6) است که با کمک نيروي جاذبه کار مي کند. اين سيستم مانند روده بزرگ انسان، حرکات موجي شکل همراه با فشاري در طول مجرا ايجاد مي کند که باعث خارج شدن مواد زايد از آن مي شود. در ابتداي فرايند هضم، روبات با چسبيدن به يک تغذيه کننده، مواد غذايي لازم را به دست مي آورد. با اين کار، مقداري از محلول نيمه فرآوري شده مغزي وارد دهان روبات مي شود و از آنجا بين چهل و هشت MFC مجزا در درون روبات پخش مي شود. اين مايع در واقع غذايي شامل مواد معدني، نمک، مخمرها و مواد مغذي ديگر است. هرچند اين غذا ظاهر زشتي دارد و به ظاهر بدمزه است، اما براي باکتري هاي موجود در شکم روبات دلچسب ترين غذاست!
در قلب اين فرايند، يک واکنش اکسايش-کاهش قرار دارد که در دهليز آند MFC روبات رخ مي دهد. همين طور که باکتري مواد آلي را سوخت و ساز مي کند، اتم هاي هيدروژن آزاد مي شوند. الکترون هاي هيدروژن، به الکترود مهاجرت کرده، جريان الکتريسيته توليد مي کنند.
به طور همزمان، يون هاي هيدروژن از لايه نازک مبادله پروتون عبور مي کنند و وارد دهليز کاتد سلول MFC که حاوي آب است مي شوند. در اينجا اکسيژن حل نشده در آب با پروتون ها ترکيب مي شود و آب بيشتري توليد مي کند. از آنجا که مايع همراه غذا به مرور بخار مي شود، روبات بايد به طور مرتب آب بنوشد که آن را از يک ورودي ديگر دريافت مي کند. سلول ها در دو رديف بيست و چهارتايي قرار داده و به گونه اي طراحي شده اند که نيروي جاذبه بتواند تمامي مواد هضم نشده باقي مانده را به سمت يک مخزن مرکزي باريک هدايت و در آنجا جمع آوري کند. محتويات به طور مرتب از درون اين مخزن بازيافت و به مخزن تغذيه کننده روبات هدايت مي شوند تا قبل از دفع شدن، حداکثر انرژي از آن به دست آيد.
يروپولوس مي گويد: "دفع مواد زايد نه تنها از پرو مسدود شدن سلول ها جلو گيري مي کند، بلکه هر گونه ماده اسيدي توليد شده در دستگاه گوارش روبات را که ممکن است باعث مسموم کردن باکتري ها شود، از بين مي برد. " آن طور که از شواهد برمي آيد، با وجود فرآيند بازيافت، سلول هاي سوختي قادرند چيزي در حدود يک درصد انرژي شيميايي موجود در غذايشان را استخراج کنند. بر پايه توضيحات يروپولوس، روبات در حال حاضر از قطعات موجود در بازار استفاده مي کند، بنابراين استفاده از قطعات سفارشي شده و تغيير شکل آنها به نحوي که سطح تماس بيشتري داشته باشند تا باکتري ها بتوانند خود را به آن بچسبانند، مي توانند موجب توليد انرژي به مراتب بيشتري شود. "رابرت فينکل اشتاين" که سرپرستي پروژه EATR7 را در سازمان پروژه هاي تحقيقاتي پيشرفته وزارت دفاع آمريكا (8) برعهده دارد، معتقد است که کار کردن روي فناوري MFC اساسا بي فايده است؛ زيرا در تبديل انرژي بسيار ناکارآمد و کند است. EATR به جاي خوردن يا هضم کردن مواد انرژي زاي آلي، انرژي خود را از سوزاندن آن به دست مي آورد. دانشمندان اين پروژه اميدوارند با استفاده از يک ماشين احتراق جديد، EATR بتواند با مصرف 60 کيلوگرم سوخت زيستي، مسافتي در حدود 160 کيلومتر را طي کند. فينکل اشتاين مي گويد که با توجه به انرژي گرمايي به دست آمده از سوخت، اين کارايي از حد ميانگين يک خودرو بهتر است.
البته يکي از مزيت هاي MFC اين است که تقريبا تمامي انرژي قابل استحصال از سوخت را مصرف مي کند، حتي آب اضافي که از فرايند هضم به جا مي ماند نيز به نحوي به چرخه مصرف روبات بازگردانده مي شود. باکتري هاي موجود در دستگاه گوارش اکوبوت 3 از صدها
گونه مختلف هستند که مي توانند خود را با انواع مختلفي از مواد غذايي تطبيق دهند. يکي از ايده هايي که گروه در حال کار روي آن است - و يکي از دلايلي که از آب اضاني باقي مانده از هضم نيز استفاده مي کنند- استفاده از سلول هاي سوختي به عنوان سيستم تصفيه فاضلاب است. ملهويش به شوخي مي گويد: "کساني که از روبات هاي گوشتخوار مي ترسند نگران نباشند، زيرا بيشتر انرژي به دست آمده صرف تغذيه سيستم گوارش روبات مي شود. ضمنا با سرعت حرکت ميانگين بيست و يک سانتي متر در روز، احتمال اين که روبات بتواند شما را شکار کند خيلي کم است!"
در تلاش براي توليد چنين روبات هايي، محققان به استفاده از مواد انرژي زاي آلي(1) به عنوان منبع انرژي روي آوردند. روبات ها با داشتن سامانه قابل تغذيه خود قادر خواهند بود براي مدت طولاني تري بدون دخالت انسان کار کنند. چنين روبات هايي در گذشته نيز به نمايش در آمده اند روبات هايي که مي توانستند به کمک سلول هاي سوختي ميکروبي يا(2) MFC انرژي توليد کنند. هر چند تاکنون، هيچ کس روي راهي براي دفع زباله زيادي که اين روبات ها بر جا مي گذارند کار نکرده است.
"کريس ملهويش"(3) مدير يک آزمايشگاه علوم روباتي مي گويد اين روبات ها به يک سيستم گوارش مصنوعي احتياج داشتند. او از سه سال پيش تاکنون به همراه گروه کاري اش روي اين موضوع کار کرده است که در نتيجه موفق به ساخت روبات اکوبوت43 شده اند.
ملهويش تاکيد مي کند که diarrhoea-bot روبات خيلي بهتري خواهد بود. البته اين روبات هم زباله توليد خواهد کرد؛ اما اولين روباتي است که با سوخت آلي و بدون کمک انسان کار مي کند. مدل هاي قديمي تر اکوبوت نشان دادند که مي توان نيروي کافي را براي انجام فعاليت هاي اوليه روبات و بعضي از رفتارهاي پيچيده تر روبات، مانند حرکت به سمت منبع نور، توليد کرد. هر چند بعد از تغذيه روبات، کار تميز کردن و جمع آوري فضولات توسط انسان انجام مي شود. با طراحي يک دستگاه گوارش در روبات، اکوبوت3 مي تواند به مدت يک هفته به فعاليت خود بدون دخالت انسان ادامه دهد و بدون کمک، از آب و غذاي مخصوص خود استفاده کند. اکوبوت مثل يک روبات حرف گوش کن، هر بيست و چهار ساعت يک بار، زباله اش را در يک سطل آشغال خالي مي کند.
"يروپولوس"(5) مي گويد راز اين سيستم هاضمه، در استفاده از سيستم بازيابي متکي بر يک پمپ رولي(6) است که با کمک نيروي جاذبه کار مي کند. اين سيستم مانند روده بزرگ انسان، حرکات موجي شکل همراه با فشاري در طول مجرا ايجاد مي کند که باعث خارج شدن مواد زايد از آن مي شود. در ابتداي فرايند هضم، روبات با چسبيدن به يک تغذيه کننده، مواد غذايي لازم را به دست مي آورد. با اين کار، مقداري از محلول نيمه فرآوري شده مغزي وارد دهان روبات مي شود و از آنجا بين چهل و هشت MFC مجزا در درون روبات پخش مي شود. اين مايع در واقع غذايي شامل مواد معدني، نمک، مخمرها و مواد مغذي ديگر است. هرچند اين غذا ظاهر زشتي دارد و به ظاهر بدمزه است، اما براي باکتري هاي موجود در شکم روبات دلچسب ترين غذاست!
در قلب اين فرايند، يک واکنش اکسايش-کاهش قرار دارد که در دهليز آند MFC روبات رخ مي دهد. همين طور که باکتري مواد آلي را سوخت و ساز مي کند، اتم هاي هيدروژن آزاد مي شوند. الکترون هاي هيدروژن، به الکترود مهاجرت کرده، جريان الکتريسيته توليد مي کنند.
به طور همزمان، يون هاي هيدروژن از لايه نازک مبادله پروتون عبور مي کنند و وارد دهليز کاتد سلول MFC که حاوي آب است مي شوند. در اينجا اکسيژن حل نشده در آب با پروتون ها ترکيب مي شود و آب بيشتري توليد مي کند. از آنجا که مايع همراه غذا به مرور بخار مي شود، روبات بايد به طور مرتب آب بنوشد که آن را از يک ورودي ديگر دريافت مي کند. سلول ها در دو رديف بيست و چهارتايي قرار داده و به گونه اي طراحي شده اند که نيروي جاذبه بتواند تمامي مواد هضم نشده باقي مانده را به سمت يک مخزن مرکزي باريک هدايت و در آنجا جمع آوري کند. محتويات به طور مرتب از درون اين مخزن بازيافت و به مخزن تغذيه کننده روبات هدايت مي شوند تا قبل از دفع شدن، حداکثر انرژي از آن به دست آيد.
يروپولوس مي گويد: "دفع مواد زايد نه تنها از پرو مسدود شدن سلول ها جلو گيري مي کند، بلکه هر گونه ماده اسيدي توليد شده در دستگاه گوارش روبات را که ممکن است باعث مسموم کردن باکتري ها شود، از بين مي برد. " آن طور که از شواهد برمي آيد، با وجود فرآيند بازيافت، سلول هاي سوختي قادرند چيزي در حدود يک درصد انرژي شيميايي موجود در غذايشان را استخراج کنند. بر پايه توضيحات يروپولوس، روبات در حال حاضر از قطعات موجود در بازار استفاده مي کند، بنابراين استفاده از قطعات سفارشي شده و تغيير شکل آنها به نحوي که سطح تماس بيشتري داشته باشند تا باکتري ها بتوانند خود را به آن بچسبانند، مي توانند موجب توليد انرژي به مراتب بيشتري شود. "رابرت فينکل اشتاين" که سرپرستي پروژه EATR7 را در سازمان پروژه هاي تحقيقاتي پيشرفته وزارت دفاع آمريكا (8) برعهده دارد، معتقد است که کار کردن روي فناوري MFC اساسا بي فايده است؛ زيرا در تبديل انرژي بسيار ناکارآمد و کند است. EATR به جاي خوردن يا هضم کردن مواد انرژي زاي آلي، انرژي خود را از سوزاندن آن به دست مي آورد. دانشمندان اين پروژه اميدوارند با استفاده از يک ماشين احتراق جديد، EATR بتواند با مصرف 60 کيلوگرم سوخت زيستي، مسافتي در حدود 160 کيلومتر را طي کند. فينکل اشتاين مي گويد که با توجه به انرژي گرمايي به دست آمده از سوخت، اين کارايي از حد ميانگين يک خودرو بهتر است.
البته يکي از مزيت هاي MFC اين است که تقريبا تمامي انرژي قابل استحصال از سوخت را مصرف مي کند، حتي آب اضافي که از فرايند هضم به جا مي ماند نيز به نحوي به چرخه مصرف روبات بازگردانده مي شود. باکتري هاي موجود در دستگاه گوارش اکوبوت 3 از صدها
گونه مختلف هستند که مي توانند خود را با انواع مختلفي از مواد غذايي تطبيق دهند. يکي از ايده هايي که گروه در حال کار روي آن است - و يکي از دلايلي که از آب اضاني باقي مانده از هضم نيز استفاده مي کنند- استفاده از سلول هاي سوختي به عنوان سيستم تصفيه فاضلاب است. ملهويش به شوخي مي گويد: "کساني که از روبات هاي گوشتخوار مي ترسند نگران نباشند، زيرا بيشتر انرژي به دست آمده صرف تغذيه سيستم گوارش روبات مي شود. ضمنا با سرعت حرکت ميانگين بيست و يک سانتي متر در روز، احتمال اين که روبات بتواند شما را شکار کند خيلي کم است!"
پي نوشت ها :
1-biomass
2-Microbial Fuel Cells
(دستگاه هاي بيوالکترومکانيکي که با استفاده از کلوني باکتريايي مواد مغذي را تجزيه و به انرژي تبديل مي کنند)
3-Chris Melhuish/4-Ecobot lll/5-Ieropoulos/6-roller pump يا peristaltic pump
7-Energetically Autonomous Tactical Robot
(روبات تاکتيکي با تامين انرژي خودکار)
8-DARPA
