این ربات نوآورانه بهجای قطعات سخت و سنگین، از گرما، مواد هوشمند و ساختارهای تاشونده استفاده میکند تا بتواند حرکت کند و شکل خود را تغییر دهد.این دستاورد میتواند فصل تازهای در حوزه رباتیک نرم ایجاد کند؛ شاخهای از مهندسی که به طراحی رباتهایی انعطافپذیر، سبک و تغییرپذیر میپردازد.
برخلاف رباتهای سنتی که از فلز، موتور و اتصالات سخت ساخته میشوند، رباتهای نرم از مواد قابل خمشدن و کششپذیر ساخته میشوند و برای کارهایی مناسب هستند که ماشینهای سخت در آنها محدودیت دارند.
کاربردهای این نوع رباتها بسیار گسترده است. از جابهجایی اجسام ظریف و شکننده گرفته تا حرکت در فضاهای تنگ و پیچیده، همچنین استفاده بهعنوان ابزار پزشکی، ایمپلنتهای هوشمند یا سامانههای انتقال دارو درون بدن، همگی از حوزههایی هستند که رباتهای نرم میتوانند در آن نقشآفرینی کنند.
با این حال، بیشتر رباتهای نرم امروزی همچنان برای حرکت به موتور، عملگرهای مکانیکی یا سامانههای بادی خارجی وابستهاند. این وابستگی باعث میشود اندازه، وزن و میزان انعطافپذیری آنها محدود شود. پژوهشگران پرینستون برای حل این مشکل، دو حوزه کمتر مرتبط یعنی علم مواد و مهندسی اوریگامی را با یکدیگر ترکیب کردهاند.
هسته اصلی این فناوری، پلیمر ویژهای به نام الاستومر کریستال مایع است. این ماده برخلاف مواد انعطافپذیر معمولی، دارای ساختار مولکولی منظم درونی است و میتواند در واکنش به گرما رفتار از پیش تعیینشدهای از خود نشان دهد. پژوهشگران با استفاده از چاپگر سهبعدی سفارشی، جهتگیری مولکولهای این ماده را در بخشهای مختلف هنگام چاپ تنظیم کردند تا هر ناحیه واکنش متفاوتی نسبت به حرارت داشته باشد.
نتیجه این فرایند، ایجاد لولاهای حرارتی در دل خود ماده است. زمانی که گرما به بخش مشخصی اعمال میشود، آن ناحیه منقبض شده و ساختار شروع به تا شدن یا باز شدن میکند. به این ترتیب، ربات میتواند بدون نیاز به موتور یا اتصالات مکانیکی، تنها از طریق کنترل حرارت حرکت کند.
برای مدیریت دقیق گرمایش، تیم تحقیقاتی مدارهای چاپی انعطافپذیر را همراه با عناصر گرمکننده درون ساختار ربات قرار داده است. این مدارها هنگام فرایند چاپ در بدنه ربات جاسازی میشوند و نیازی به نصب جداگانه ندارند. این روش باعث کوچکتر شدن سامانه و سادهتر شدن تولید آن میشود.
همچنین حسگرهای دما درون ربات قرار گرفتهاند تا اطلاعات حرارتی را به نرمافزار کنترل منتقل کنند. این نرمافزار میتواند خطاهای کوچک ناشی از باز و بسته شدنهای مکرر را اصلاح کند و دقت حرکت را در طول زمان حفظ کند.
David Bershadsky یکی از اعضای تیم تحقیقاتی درباره این پروژه گفت مهمترین دستاورد این پژوهش، یکپارچهسازی سامانهای پیچیده با کنترل گرمایش موضعی است. به گفته او، پژوهشگران اکنون میتوانند مشخص کنند کدام بخش گرم شود و در نتیجه کدام قسمت حرکت کند.
برای نمایش توانایی این فناوری، پژوهشگران نمونهای به شکل درنای اوریگامی ساختند؛ یکی از مشهورترین اشکال سنتی در هنر ژاپنی تا کردن کاغذ. این پرنده مصنوعی توانست به فرمان پژوهشگران بالهای خود را باز و بسته کند و بارها به شکل اولیه بازگردد، بدون آنکه نشانهای از فرسایش یا تغییر شکل دائمی در آن دیده شود.
اگرچه این نمونه هنوز یک ربات کامل و کاربردی محسوب نمیشود، اما اثبات میکند که ساخت رباتهای نرم بدون موتور کاملاً امکانپذیر است. حذف محدودیتهای حرکت مکانیکی میتواند فرصتهای تازهای برای طراحی نسل جدید رباتها فراهم کند.
کارشناسان معتقدند در آینده میتوان از چنین سامانههایی در پزشکی استفاده کرد؛ برای مثال ساخت ابزارهایی که درون بدن حرکت میکنند و بدون قطعات سخت، دارو را به نقطه مورد نظر میرسانند. همچنین در صنایع فضایی، الکترونیک پوشیدنی، تجهیزات نجات و رباتهای جستوجوگر نیز این فناوری میتواند کاربردهای مهمی داشته باشد.
یکی دیگر از مزیتهای این پروژه، قابلیت تولید انبوه آن است. پژوهشگران اعلام کردهاند طراحی این سامانه بر پایه مواد تجاری موجود و روشهای ساخت مقیاسپذیر انجام شده است؛ موضوعی که مسیر تجاریسازی را در آینده آسانتر میکند.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Advanced Functional Materials منتشر شده است. انتشار این مقاله نشان میدهد جامعه علمی نیز این فناوری را گامی مهم در مسیر آینده رباتیک نرم میداند.
ربات اوریگامی پرینستون شاید امروز تنها یک نمونه آزمایشگاهی باشد، اما میتواند آغازگر نسلی از ماشینهای هوشمند و انعطافپذیر باشد که بدون موتور، بیصدا و با الهام از طبیعت و هنر حرکت میکنند.
