پژوهشگران دانشگاه ملی سئول در کرهجنوبی، نوعی ماهیچه مصنوعی پیشرفته طراحی کردهاند که میتواند هنگام کار، شکل خود را تغییر دهد، پس از آسیبدیدگی ترمیم شود و دوباره مورد استفاده قرار گیرد. این دستاورد علمی که نتایج آن در نشریه Science Advances منتشر شده است، میتواند تحول بزرگی در صنعت رباتیک نرم، تجهیزات هوشمند و سامانههای انعطافپذیر نسل آینده ایجاد کند.
این فناوری جدید بر پایه نوعی «محرک الاستومری دیالکتریک» یا DEA ساخته شده است. این محرکها ابزارهایی نرم و انعطافپذیر هستند که انرژی الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل میکنند. به دلیل توانایی آنها در تقلید حرکت سریع و دقیق ماهیچههای زیستی، دانشمندان از آنها با عنوان ماهیچه مصنوعی یاد میکنند.
ماهیچههای مصنوعی در سالهای اخیر در حوزههایی همچون دستگاههای پوشیدنی، سامانههای بازخورد لمسی، گیرههای رباتیک حساس و ابزارهای پزشکی کاربرد یافتهاند. با این حال، نمونههای رایج محدودیت مهمی دارند؛ ساختار الکترودهای آنها در زمان تولید ثابت میشود و پس از آن دیگر قابل تغییر نیست، به همین دلیل، هر دستگاه بهطورمعمول تنها برای یک حرکت یا عملکرد مشخص طراحی میشود و برای کاربردهای تازه باید از نو ساخته شود.
تیم پژوهشی کرهای برای حل این مشکل، از مادهای نوآورانه به نام «فروسیال دارای گذار فازی» استفاده کرده است. این ماده در دمای اتاق رفتاری شبیه جامد دارد، اما زمانی که در معرض گرما یا میدان مغناطیسی قرار گیرد، به حالت مایع درمیآید. همین ویژگی سبب میشود الکترودهای داخلی دستگاه حتی پس از ساخت نیز قابل جابهجایی، بازآرایی و تنظیم دوباره باشند.
بر اساس گزارش پژوهشگران، این سامانه میتواند حین فعالیت، الکترودها را تقسیم کند، به یکدیگر متصل سازد یا در فضای سهبعدی جابهجا کند، در نتیجه، یک محرک واحد قادر خواهد بود بسته به نیاز، حرکتهای متفاوتی همچون خم شدن، کشیده شدن، انبساط یا اتصال بخشهای مختلف مدار را انجام دهد.
ساخت ماهیچه مصنوعی با قابلیت ترمیم و تغییر شکل این تصویر، نتایج فنی محرک الاستومری دیالکتریک بازپیکربندیپذیر بر پایه فروسیال دارای گذار فازی را نمایش میدهد. نمودارها سازوکار تغییر حالت ژل به سل، جابهجایی و بازآرایی الکترودها، ترمیم مسیرهای رسانا پس از آسیب، بازیافت ماده فعال و پایداری عملکرد در چرخههای تکراری را نشان میدهند. دادههای رئولوژیکی و الکتریکی نیز حفظ مدول ذخیره، رسانایی و بازده سامانه را تأیید میکنند. این ساختار، ظرفیت بالایی برای رباتیک نرم چندمنظوره و سامانههای تطبیقی دارد.
این قابلیت برای رباتهای نرم اهمیت زیادی دارد. بسیاری از رباتهای کنونی برای انجام تنها یک وظیفه خاص ساخته میشوند، اما در آینده، رباتهایی مجهز به چنین ماهیچههایی میتوانند خود را با شرایط جدید تطبیق دهند، ساختار داخلیشان را تغییر دهند و بدون تعویض قطعه، وظایف گوناگونی انجام دهند.
پروفسور «جونگ-یون سان» از اعضای اصلی این پروژه اعلام کرد: «این پژوهش، الکترودهای سنتی و غیرفعال را به عناصر زنده و برنامهپذیر تبدیل کرده است. فناوری الکترودهای خودترمیمشونده و تغییرپذیر، پایهای کلیدی برای رباتیک نرم پایدار در نسل آینده خواهد بود.»
یکی دیگر از مهمترین ویژگیهای این ماهیچه مصنوعی، توانایی ترمیم خودکار پس از آسیب است. اگر بخشی از الکترود دچار پارگی، بریدگی یا اختلال الکتریکی شود، مواد اطراف آن میتوانند به حالت مایع تبدیل شوند و مسیرهای قطعشده را دوباره برقرار کنند یا ناحیه آسیبدیده را دور بزنند.
این ویژگی میتواند در محیطهای صنعتی سخت بسیار ارزشمند باشد؛ محیطهایی که ماشینآلات در معرض ضربه، سایش، فشار مکانیکی یا تنش الکتریکی قرار دارند، در چنین شرایطی، رباتهای معمولی ممکن است از کار بیفتند، اما سامانههای مجهز به این فناوری میتوانند به فعالیت خود ادامه دهند.
پژوهشگران همچنین اعلام کردهاند این فناوری از نظر زیستمحیطی نیز مزیت مهمی دارد. در پایان عمر کاری دستگاه، ماده الکترود را میتوان به شکل مایع استخراج کرد و در سامانهای تازه به کار گرفت. آزمایشها نشان دادهاند که حتی پس از چندین چرخه استفاده مجدد، حدود ۹۱ درصد عملکرد اولیه حفظ میشود.
پروفسور «هو-یانگ کیم» دیگر عضو تیم تحقیقاتی گفت: «برای دستیابی به آزادی حرکتی بالا در رباتهای نرم، مشابه ماهیچههای انسان، انعطافپذیری ساختاری ضروری است. ما نشان دادیم که یک ساختار رباتیک واحد میتواند تقریباً بینهایت الگوی حرکتی ایجاد کند.»
کارشناسان معتقدند این فناوری در آینده میتواند در ساخت دستهای رباتیک با حرکات طبیعیتر، نمایشگرهای تغییرشکلپذیر، ماشینهای خودترمیمشونده، ابزارهای پزشکی هوشمند و تجهیزات الکترونیکی انعطافپذیر نقش مهمی ایفا کند.
ترکیب مهندسی مکانیک با علم مواد در این پروژه، نمونهای روشن از مسیر آینده فناوریهای هوشمند است؛ مسیری که در آن ماشینها نهتنها کارآمدتر، بلکه سازگارتر، بادوامتر و پایدارتر خواهند شد. اگر این فناوری به مرحله تولید صنعتی برسد، نسل تازهای از رباتها وارد زندگی بشر خواهد شد که بیش از هر زمان دیگری به موجودات زنده شباهت دارند.
