ربات‌های میکروسکوپی در حال تغییر مرزهای علم و فناوری هستند. این ماشین‌های بسیار کوچک که در مقیاس میکرومتری ساخته شده‌اند، ترکیبی از اپتیک‌های انکساری و فناوری رباتیک پویا را ارائه داده و کاربردهایی را ممکن می‌سازند که تا پیش از این غیرممکن به نظر می‌رسید. محققان دانشگاه کرنل (Cornell University) با ساخت کوچک‌ترین ربات متحرک جهان، راه را برای تحولی در حوزه‌های بیولوژی، پزشکی و فناوری باز کرده‌اند. در ادامه با دیجی رو همراه باشید.
فناوری انکساری و طراحی پیشرفته
ربات‌های میکروسکوپی می‌توانند با استفاده از پراکندگی نور از سطح کوچک خود، میدان‌های نوری بسیار دقیقی ایجاد کنند. این قابلیت به آن‌ها امکان می‌دهد که تصاویر بسیار واضحی ثبت کنند، تنظیمات اپتیکی خاصی انجام دهند و نیروها را در مقیاس‌های بسیار کوچک اندازه‌گیری کنند.
با این حال، ساختن ربات‌هایی به این کوچکی که بتوانند با نور مرئی کار کنند، چالش‌های زیادی را در طراحی و ساخت مواد به همراه داشته است. ربات‌های میکرومتری به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند حرکت کنند و کارهای مختلفی انجام دهند، و این کار نیازمند فناوری‌های بسیار پیشرفته و خلاقانه در زمینه علم مواد است.
ایجاد زمینه برای رباتیک انکساری
پیشرفت ربات‌های انکساری به کمک دو فناوری پیشرفته ممکن شده است:
- رمزگذاری اطلاعات مغناطیسی در مقیاس میکرو: این فناوری به ربات‌ها اجازه می‌دهد که با دقت بسیار بالا حرکت کرده و کنترل شوند.
- استفاده از لایه‌نشانی اتمی (Atomic Layer Deposition یا ALD): این روش برای ساخت لولاهای فوق‌العاده نازک و انعطاف‌پذیر به کار می‌رود. این لولاها که ضخامت آن‌ها تنها 5 نانومتر است، نقش مفصل‌های ربات را ایفا می‌کنند و علاوه بر دوام بالا، با فرآیندهای تولید نیمه‌هادی‌ها نیز کاملاً سازگار هستند.
این نوآوری‌ها باعث شده‌اند که محققان بتوانند اطلاعات مغناطیسی پیچیده‌ای را در بخش‌های انکساری ربات‌ها رمزگذاری کنند. به این ترتیب، ربات‌ها به طور مغناطیسی قابل کنترل و بسیار انعطاف‌پذیر شده‌اند و می‌توانند در میدان‌های مغناطیسی ضعیف در مقیاس میلی‌تسلا به راحتی تغییر شکل دهند.
این ترکیب از فناوری‌ها، پلتفرمی را ایجاد کرده که دقت رباتیک را با توانایی‌های نوری مورد نیاز برای تعامل با نور مرئی به طور بی‌نظیری ترکیب می‌کند.
کوچک‌ترین ربات متحرک جهان
دانشمندان دانشگاه کرنل توانسته‌اند کوچک‌ترین ربات‌های متحرک تاریخ را بسازند. این ربات‌ها که ابعادشان تنها 2 تا 5 میکرون (تقریباً به اندازه یک باکتری) است، به اندازه‌ای کوچک هستند که می‌توانند با امواج نور مرئی تعامل کنند و در عین حال از تحرک مستقل برخوردار باشند. این دستاورد حتی رکورد قبلی کرنل برای ربات‌های 40 تا 70 میکرونی را نیز شکسته است.
به گفته پاول مک‌اوئن (Paul McEuen)، استاد بازنشسته علوم فیزیک در دانشگاه کرنل:
یک ربات متحرک که به قدری کوچک باشد که بتواند با نور تعامل کند و آن را تغییر دهد، در واقع همانند این است که لنز یک میکروسکوپ را مستقیماً به دنیای میکروسکوپی ببرد. این ربات‌ها قادرند تصاویر بسیار دقیق و نزدیک از محیط خود ثبت کنند، به شکلی که میکروسکوپ‌های معمولی هرگز نمی‌توانند به آن دست یابند.
حرکت و قابلیت‌های ربات‌های میکرومتری
این ربات‌ها که جزئیات آن‌ها در مقاله‌ای با عنوان «رباتیک انکساری با برنامه‌ریزی مغناطیسی» در نشریه Science منتشر شده است، توانایی حرکت در محیط‌های مایع و بر روی سطوح جامد را دارند. حرکت آن‌ها که توسط میدان‌های مغناطیسی کنترل می‌شود، شبیه به حرکت نیشگون مانندی است که امکان پیشروی به صورت حرکت کرمی یا حتی شنا کردن را فراهم می‌کند.
انعطاف‌پذیری بالای این ربات‌ها به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به ساختارهای بیولوژیکی پیچیده دسترسی پیدا کرده و از آن‌ها تصاویر دقیقی تهیه کنند. اصطلاح «رباتیک انکساری» به این واقعیت اشاره دارد که این ربات‌ها توانسته‌اند برای اولین بار حرکت رباتیک بدون اتصال را با پدیده انکسار نور به صورت هماهنگ ادغام کنند.
اصول انکسار نور و کاربردهای آن
پراش یا انکسار نور زمانی اتفاق می‌افتد که امواج نوری از میان شکاف‌هایی عبور کنند که ابعادشان به اندازه طول موج نور است. این پدیده نقشی کلیدی در تصویربرداری در مقیاس‌های میکرو دارد. برای بهره‌گیری از این ویژگی، ربات‌ها باید از دو ویژگی مهم را دارا باشند: اول اینکه باید با نور به لحاظ اپتیکی سازگار باشند، و دوم اینکه توانایی حرکت مستقل را داشته باشند. تیم دانشگاه کرنل موفق شده است هر دو شرط را با طراحی پیشرفته خود برآورده کند.
ایتای کوهن (Itai Cohen)، استاد فیزیک و یکی از نویسندگان این تحقیق، درباره این موفقیت می‌گوید:
این ربات‌ها به قدری کوچک هستند که می‌توانیم با استفاده از میدان‌های مغناطیسی آن‌ها را برای انجام هر کاری که بخواهیم کنترل کنیم. تعامل این ربات‌ها با نور، امکان تصویربرداری بسیار دقیق در مقیاس نانو را فراهم کرده است.
کاربردها و تأثیرات آینده
کاربردهای ربات‌های انکساری بسیار گسترده و متنوع است و می‌تواند انقلابی در حوزه‌های مختلف ایجاد کند:
1. پزشکی و تصویربرداری بیولوژیکی
این ربات‌های کوچک توانایی حرکت در بافت‌های زیستی را دارند و می‌توانند از ساختارهای سلولی پیچیده تصویربرداری کنند. علاوه بر این، آن‌ها قادرند نیروهای موجود در نمونه‌های زیستی را با دقت بالایی اندازه‌گیری کنند، که می‌تواند به درک بهتر فرآیندهای بیولوژیکی و بهبود روش‌های تشخیصی کمک کند.
2. دستگاه‌های اپتیکی پیشرفته
یکی از قابلیت‌های برجسته این ربات‌ها، توانایی دستکاری میدان‌های نوری در مقیاس محلی است. این ویژگی می‌تواند به توسعه دستگاه‌های اپتیکی پیشرفته منجر شود و امکان تنظیمات لحظه‌ای و دقیق در مقیاس نانو را فراهم کند. این قابلیت در فناوری‌هایی مانند میکروسکوپ‌های فوق دقیق یا ابزارهای نوری نوآورانه کاربرد خواهد داشت.
3. کاربردهای صنعتی
انعطاف‌پذیری و توانایی حرکت دقیق این ربات‌ها، آن‌ها را برای طیف وسیعی از صنایع مفید می‌سازد. این ربات‌ها می‌توانند در زمینه‌هایی مانند علم مواد، تولیدات دقیق، و حتی نظارت و پایش محیط زیست مورد استفاده قرار گیرند. توانایی کار در مقیاس نانو و میکرو، آن‌ها را برای کاربردهایی که به دقت و انعطاف‌پذیری بالا نیاز دارند، ایده‌آل می‌کند.
همکاری‌های علمی و چشم‌انداز آینده
این پژوهش با حمایت مرکز تحقیقات مواد کرنل (Cornell Center for Materials Research)، بنیاد ملی علوم (National Science Foundation) و تأسیسات علوم و فناوری نانومقیاس کرنل (Cornell NanoScale Science and Technology Facility) انجام شده است. این همکاری‌ها نشان دهنده تلاش‌های گسترده و بین رشته‌ای برای دستیابی به این نوآوری‌ها است.
رباتیک انکساری: پلی به آینده
رباتیک انکساری آغازگر عصری جدید در علوم رباتیک و اپتیک است. با کوچک‌سازی ربات‌ها تا حدی که بتوانند با نور مرئی تعامل داشته باشند، دانشمندان ابزارهایی خلق کرده‌اند که می‌توانند به دنیای پیش‌تر غیرقابل دسترسی نفوذ کنند. کار دانشگاه کرنل نشان می‌دهد که چگونه ترکیب تحریک مغناطیسی با مواد پیشرفته می‌تواند ماشین‌های کوچک و انعطاف‌پذیر ایجاد کند. با پیشرفت این حوزه، پتانسیل این ربات‌ها برای تغییر علوم، پزشکی و صنعت بسیار بزرگ است.
