پرواز خیالانگیز روباتهای شبتاب با ماهیچههای مصنوعی
تیم تحریریه- ۱۲ تیر ۱۴۰۱
پرواز خیالانگیز روباتهای شبتاب با ماهیچههای مصنوعی، از زندگی کرمهای شبتاب الهام گرفته شده است؛ کرمهای شبتاب از نورافشانی برای برقراری ارتباط، جفتگیری، دفع شکارچیان و یا جذب طعمه، استفاده میکنند. دانشمندان MIT از این حشرات الهام گرفتهاند و ماهیچههای مصنوعی نرم با خاصیت نورافشانی الکتریکی تولید کردهاند که در روباتهای شبهحشرهای به کار میروند. این ماهیچههای مصنوعی کوچک کنترل بالهای حشره را در دست دارند و در طول پرواز، نور رنگی از خود ساطع میکنند.
پرواز خیالانگیز روباتهای شبتاب با ماهیچههای مصنوعی در حال حاضر در فضای آزمایشگاه محقق شده است؛ این روباتهای کوچک که تنها کمی از یک گیرهکاغذ سنگینتر هستند، به کمک قابلیت نورافشانی، یک گام به پرواز خودکار در فضای بیرون از آزمایشگاه نزدیکتر شدهاند. وزن روباتها به قدری کم است که نمیتوانند حسگری با خود حمل کنند؛ به همین دلیل، رهگیری آنها مستلزم استفاده از دوربینهای مادون قرمز سنگینی است که در فضای باز کار نمیکنند. با این حال، پژوهشگران رویکردی ارائه دادهاند که با تکیه بر نور ساطعشده از روباتها و تنها با استفاده از دوربین سه گوشی هوشمند، حرکت این روباتها را به دقت رهگیری میکند.
کوین چن، نویسنده ارشد مقاله، توضیح میدهد: «روباتهای بزرگ برای برقراری ارتباط از ابزارهای گوناگون همچون بلوتوث یا وایرلس استفاده میکنند. اما روباتهای کوچکی که توان محدود دارند، باید دنبال راههای جدید برای برقراری ارتباط باشند. به همین دلیل، پژوهش حاضر را میتوان گامی بزرگ در راستای به پرواز درآوردن این روباتها در فضای باز به شمار آورد، چون تا کنون سیستم نوآورانه و دقیقی برای رهگیری حرکات روباتها در فضای باز نداشتهایم.» چِن استاد دانشکده مهندسی برق و علوم کامپیوتر و رئیس بخش روباتهای نرم و کوچک آزمایشگاه پژوهشهای الکترونیک (RLE) دانشگاه MIT است.
چِن و همکارانش با تعبیه ذرات نورافشان الکتریکی درون ماهیچههای مصنوعی به این مهم دست یافتهاند. این فرآیند تنها 5/2 درصد به وزن حشره میافزاید و هیچ تأثیر منفی بر عملکرد آن در پرواز نمیگذارد.
سوان کیم، وایسوان سیائو، یو فن چن، دانشجویان دکتری، و جای مائو، استاد دانشگاه نینگشیا، در نوشتار این مقاله با چِن همکاری داشتهاند. پژوهش مذکور در ژورنال IEEE Robotics and Automation Letters منتشر شده است.
فعالکننده نورافشان در روباتهای شبتاب
پرواز خیالانگیز روباتهای شبتاب با ماهیچههای مصنوعی، نیاز به ساخت و توسعه این ماهیچهها را به وجود آورد؛ پیش از این، پژوهشگران تکنیکی جدید برای ساخت فعالکنندههای نرم (ماهیچههای مصنوعی)، برای حرکت بالهای روبات، ارائه دادند. برای ساخت این فعالکنندههای بادوام، لایههای بسیار نازک الاسترومر و الکترودهای نانومتری کربنی در یک پشته به صورت متناوب قرار گرفتند و سپس وارد یک سیلندر نرم شدند. با ورود جریان برق به این سیلندر، الکترودها الاسترومر را فشار میدهند؛ این فشار مکانیکی بالهای روبات را به پرواز در میآورد.
پژوهشگران برای ساخت فعالکنندههای نورافشان، ذرات زینکسولفات با خاصیت نورافشانی الکتریکی را در الاسترومر تعبیه کردند، اما در این میان با چندین چالش روبرو شدند.
چالش اول این بود که الکترود جلوی نور را میگرفت. پژوهشگران برای حل این مسئله از لولههای نانومتری کربنی بسیار شفافی استفاده کردند که به نور اجازه عبور میدهند.
چالش دوم مربوط به لزوم وجود میدان الکتریکی بسیار قوی و با فرکانس بالا برای روشن شدن ذرات زینک بود. میدان الکتریکی، الکترونهای موجود در ذرات زینک را برانگیخته میکند؛ سپس، ذرات زیراتمی نور به وجود میآیند که با نام فوتون شناخته میشوند. پژوهشگران سعی کردند با استفاده از ولتاژ بالا، میدان الکتریکی قوی در فعالکننده ایجاد کنند تا نور از ذرات مذکور ساطع شود.
چِن میگوید: «با اینکه مواد نورافشان الکتریکی همواره گرانقیمت بودهاند، ما به صورت تقریباً رایگان به آنها دست یافتهایم، چون به جای فعالکننده و سیمهای جدید، تنها به یک میدان الکتریکی با فرکانس بالا نیاز داشتیم. بدین ترتیب، روبات تنها با 3 درصد انرژی قبلی روشن میشود.»
پژوهشگران هنگام ساخت نمونه اولیه فعالکننده دریافتند که با افزودن ذرات زینک، عملکرد روبات با مشکل روبرو میشود. برای رفع این مشکل، کیم ذرات زینک را تنها در لایه الاستومر بالایی قرار داد و این لایه را به اندازه چند میکرومتر قطورتر کرد تا جلوی کاهش توان خروجی را بگیرد.
با اینکه فعالکننده به دستآمده 5/2 درصد سنگینتر بود، میتوانست پرواز روباتهای شبتاب با ماهیچههای مصنوعی را ممکن و همزمان نورافشانی کند.
کیم توضیح میدهد: «خیلی تلاش کردیم تا بتوانیم کیفیت لایههای الاستومر بین الکترودها را حفظ کنیم. افزودن ذرات زینک مثل این بود که لایهها را با گرد و خاک بپوشانیم. برای حل مشکل، از رویکردهای گوناگون به قضیه نگاه کردیم و آزمایشات فراوانی انجام دادیم تا بالاخره توانستیم کیفیت فعالکننده را تضمین کنیم.»
ترکیب شیمیایی ذرات زینک باعث تغییر رنگ نور میشود. پژوهشگران ذرات سبز، نارنجی و آبیرنگ را در فعالکنندههای خود به کار بردند، به نحوی که هر فعالکننده با یک رنگ واحد نورافشانی میکند.
پژوهشگران فرآیند تولید را تغییر دادند تا فعالکنندهها بتوانند چندین رنگ نور را با الگوهای مشخص تولید کنند. بدین منظور، ماسک کوچکی روی لایهی بالایی قرار دادند، ذرات زینک را اضافه کردند و سپس، فعالکننده را به کار انداختند. این فرآیند سه بار، با استفاده از ماسکهای مختلف و ذرات رنگی، تکرار شد تا در نهایت الگوی نوری به شکل M-I-T ایجاد کرد و پرواز خیالانگیز روباتهای شبتاب با ماهیچههای مصنوعی و قابلیت نورافشانی ممکن شد.
به دنبال کرمهای شبتاب
برای توسعه پرواز خیالانگیز روباتهای شبتاب با ماهیچههای مصنوعی، بعد از تنظیم دقیق فرآیند تولید، خواص مکانیکی فعالکنندهها آزمایش شدند و از معیار نورافشانی برای اندازهگیری شدت نور استفاده شد.
در گام بعد، پژوهشگران قابلیت پرواز روبات را با استفاده از سیستمی که به طور ویژه برای رهگیری حرکت طراحی شده بود، به آزمایش گذاشتند. فعالکننده نورافشان الکتریکی به عنوان مارکر فعالی عمل کرد که توسط دوربینهای آیفون رهگیری میشد. دوربینها نورهای رنگی را تشخیص میدادند و نرمافزار کامپیوتری موقعیت و رفتار روباتها را رهگیری میکرد.
چِن میگوید: «نتایج آزمایشات بسیار امیدوارکننده بودند، چون نشان دادند روباتها از سیستمهای بدعتآفرین موجود هم بهتر عمل میکنند. به بیان دقیقتر، ما توانستیم، در مقایسه با هزینه گزافی که آن سیستمهای بزرگ نیاز دارند، با استفاده از سختافزارهای ارزانقیمت به نتایجی مشابه برسیم.»
پژوهشگران قصد دارند سیستم رهگیری حرکت را ارتقا دهند تا بتواند به صورت لحظهای، روباتها را رهگیری کنند. این گروه در تلاشاند با استفاده از سیگنالهای کنترلی، کاری کنند که روباتها نورشان را در طول پرواز، خاموش و روشن کنند تا در برقراری ارتباط، به کرمهای شبتاب شبیهتر شوند. به علاوه، پژوهشگران مشغول بررسی این موضوع هستند که نورافشانی الکتریکی چطور میتواند ویژگیها و خواص ماهیچههای مصنوعی نرم را بهبود ببخشد. پرواز خیالانگیز روباتهای شبتاب با ماهیچههای مصنوعی، امری رو به توسعه است که ما را با نسل جدید و شگفتی از روباتها روبرو میکند.
پژوهش مذکور از سوی آزمایشگاه پژوهشهای الکترونیک MIT پشتیبانی شده است.
جدیدترین اخبار هوش مصنوعی ایران و جهان را با هوشیو دنبال کنید
