8 دقیقه
پژوهشگران دانشگاه ویرجینیا سامانه‌ای به نام HydroSpread توسعه داده‌اند که روشی برای ساخت رباتهای نرم فوق‌العاده نازک مستقیماً روی سطح آب فراهم میکند — رویکردی که امکان تولید ماشین‌های اندازه برگ را میدهد؛ دستگاه‌هایی که می‌توانند با پارو زدن یا حتی «راه رفتن» روی سطح برکه حرکت کنند. این تکنیک جدید میتواند تولید فیلمهای ظریف و الگوگذاری‌شده را ساده‌تر کند و در نتیجه راه را برای کاربردهایی از پایش محیطی تا پوشیدنی‌های پزشکی هموار سازد.
روش نوین ساخت رباتهای نرم روی سطوح مایع
در روشهای سنتی ساخت رباتهای نرم، معمولاً لازم است فیلمهای پلیمری نازک روی زیرلایه‌های سخت مانند شیشه شکل دهی شوند و سپس با دقت زیاد به سطوح یا قالب‌های دیگر منتقل گردند — مرحله‌ای حساس که به‌راحتی باعث پارگی یا آسیب دیدن ماده میشود و در تولید با بازده بالا محدودیت ایجاد میکند. HydroSpread جریان کاری مرسوم را وارونه میکند: بهجای ساختن فیلم روی سطح جامد، پلیمری به صورت قطرهای روی آب ریخته میشود و آن قطره روی سطح منتشر شده و به ورقه‌ای یکنواخت با ضخامت در بازه نانومتری تا میکرومتری تبدیل میشود؛ به‌طوری‌که خودِ مایع به‌عنوان یک میز کار خودهمسطح‌کن عمل میکند و فرایند را ساده می‌سازد. در این روش، پژوهشگران از پرتو لیزر متمرکز برای برش اشکال دقیق — از نوارها و دایره‌های ساده تا لوگوهای پیچیده — استفاده می‌کنند، بدون اینکه نیاز باشد فیلم را از روی یک سطح جامد بردارند.
تشکیل فیلمها روی آب، به‌معنای وارد شدن تنش مکانیکی کمتر در مراحل پردازش است و به فیلم اجازه میدهد برخورداری از یکپارچگی مکانیکی را حفظ کند. این ویژگی امکان ساخت دستگاههای منعطف و شناور در مقیاس کوچک را فراهم می‌سازد — دستگاه‌هایی سبک و کوچک که می‌توانند مانند حشره‌های آبی از نیروی کشش سطحی بهره ببرند. به‌طور دقیق‌تر، وقتی فیلمها روی آب شکل می‌گیرند، مشکل چسبندگی به زیرلایه یا کشش‌های ناشی از انتقال حذف میشود؛ نتیجه کار دستگاه‌هایی با دوام بهتر، ترک‌خوردگی کمتر و عملکرد پیش‌بینی‌شده‌تر است که برای کاربردهای حساس اهمیت دارد.
علاوه بر این، HydroSpread انعطاف بالایی در انتخاب مواد فراهم میکند؛ میتوان از پلیمرهای الاستومر انعطافپذیر تا لایههای مرکب چندگانه شامل لایههای عملکردی مانند لایههای حساس به حرارت یا لایههای هادی نازک استفاده کرد. قابلیت ساخت لایه‌هایی در محدوده نانومتر تا میکرون این امکان را به طراحان میدهد که مشخصه‌های مکانیکی (مانند مدول ارتجاعی و چگالی سطحی) و پاسخ به محرک‌ها (گرما، میدان مغناطیسی، نور) را دقیق‌تر تنظیم کنند. در نتیجه طراحی‌هایی که قبلاً به دلیل شکنندگی یا پیچیدگی فرایند تولید غیرعملی بودند، اکنون قابل تولید و تست میشوند.
از نمونههای آزمایشگاهی تا کاربردهای عملی
تیم دانشگاه ویرجینیا با استفاده از HydroSpread دو نمونه اولیه ساخته‌اند: HydroFlexor که با باله‌های شبیه پارو حرکت میکند و HydroBuckler که از طریق کنترل پیچش و شکستِ قراردادی در ساختارهای شبیه‌پا راه رفتن را شبیه‌سازی میکند. در آزمایشگاه، این دستگاه‌ها با یک گرم‌کننده مادونقرمز که بالای سطح قرار داشت فعال شدند؛ گرما سبب خمیدگی یا شکستِ نامتقارن در فیلمهای لایه‌ای شد که به ترتیب منجر به حرکت پارویی یا گامبرداری شد. با روشن و خاموش کردن کنترل‌شده گرم‌کننده میتوان سرعت و جهت حرکت را تغییر داد — بدین ترتیب حرکت قابل کنترل و تکرارشونده‌ای به نمایش گذاشته شد.
این نمونه‌ها نشان می‌دهند که با تغییر نحوه طراحی هندسی لایه‌ها، الگو و توزیع ضخامت، میتوان رفتار مکانیکی دستگاه را دقیقاً مهندسی کرد: افزایش ضخامت موضعی میتواند نقطه شکست را تغییر دهد، افزودن یک لایه با ضریب انبساط حرارتی متفاوت میتواند خمیدگی پایدارتری ایجاد کند و درج الگوهای برش میتواند مسیرهای حرکت را مشخص کند. چنین کنترل‌هایی برای توسعه رفتارهای پیچیده‌تر مانند حرکت جهت‌دار، چرخش کنترل شده یا تعامل با موانع سطحی ضروری هستند. در آزمایش‌ها، پژوهشگران نشان دادند که پارامترهای سادهٔ فرآیندی مانند دبی قطره، ظرفیت انتشار روی سطح و قدرت لیزر بر وضوح برش و کیفیت لبه‌ها تأثیرگذارند؛ بنابراین برای تولید انبوه باید این پارامترها بهصورت دقیق تنظیم و خودکار شوند.
در نسل‌های بعدی، فعالسازی ممکن است بهجای لامپ‌های حرارتی خارجی با انرژی خورشید، گرمکنندههای میکروکار گذاشته شده یا میدانهای مغناطیسی انجام گیرد تا عملکرد خودگردان بدون نیاز به تجهیزات بزرگ بیرونی امکان‌پذیر شود. استفاده از پوششهای حساس به نور یا مواد فوتوترمال میتواند تبدیل انرژی خورشیدی به گرما را بهینه کند، در حالی که عناصر گرمایی میکروسکوپی یا مدارهای چاپ‌شده انعطافپذیر می‌توانند جریان حرارتی موضعی را فراهم کنند. همچنین، تلفیق ذرات مغناطیسی در ماتریس پلیمری یا افزودن لایههای پیمایش‌پذیر مغناطیسی میتواند امکان رانش با میدان مغناطیسی خارجی را فراهم کند — رویکردی که در محیط‌هایی با نور کم یا شرایط نامساعد کاربردی است.
فراتر از رباتهای سطحی کوچک، HydroSpread میتواند روند ساخت الکترونیک‌ها و حسگرهای بسیار ظریف، منعطف و حساس را برای کاربردهای پوشیدنی، دستگاههای پزشکی نرم و شبکه‌های توزیع‌شدهٔ مانیتورینگ محیطی تسهیل کند. چنین دستگاه‌هایی نیازمند فیلمهای نازک و قابل شکل‌پذیری هستند که بتوانند روی سطوح مرطوب یا اندکی قابل آسیب قرار گیرند؛ HydroSpread این امکان را میدهد که حسگرها و مدارهای نازک مستقیماً در شرایطی تولید شوند که بعداً در آن‌ها به‌کار گرفته خواهند شد، از جمله تولید در محیطهای مرطوب یا بر روی زیرلایه‌های حساس که انتقال از سطح جامد ریسک آسیب را بالا می‌برد.
نتیجه‌گیری
HydroSpread نمایانگر تغییر رویکرد در طرز فکر ما نسبت به ساخت دستگاههای نرم و نازک است: استفاده از سطوح مایع به‌عنوان سکوهای ساخت باعث کاهش آسیب‌های ناشی از انتقال میشود و امکان طراحی‌های جدیدی را باز می‌گذارد. هرچند نمایش‌های کنونی بیشتر حالت اثبات مفهوم دارند، این روش مسیرهای عملی و کم‌هزینه‌ای را برای تولید رباتهای کوچک راه‌رونده روی آب و دیگر فناوری‌های انعطاف‌پذیری که در شرایطی که مواد سخت ناکارآمد یا غیرممکن‌اند، باز میکند. کارهای بعدی روی فعالسازی خودگردان، تولید در مقیاس وسیع و آزمایش در محیطهای واقعی مانند آبراه‌های آلوده یا مناطق سیلزده تمرکز خواهند کرد.
در حوزه توسعه محصول و تجاری‌سازی، چالش‌هایی نیز وجود دارند که باید حل شوند: افزایش قابلیت تولید با کیفیت یکنواخت در مقیاس بزرگ، تضمین پایداری مواد در معرض آب و عوامل شیمیایی، مقابله با رشد جلبک و رسوبات زیستی (biofouling)، و طراحی مکانیزم‌های ایمن و قابل بازیافت برای پایان عمر محصول. پژوهش‌های بیشتر بر روی مواد خودترمیم‌شونده، پوششهای ضدرسوب و ادغام انرژی تجدیدپذیر درون ساختارها میتواند این موانع را کاهش دهد. همچنین، ارزیابی عملکرد در شرایط متغیر محیطی و استانداردسازی پروتکل‌های آزمایشی برای مقایسه قابل اتکا بین نمونه‌ها از ضروریات مرحلهٔ بعدی توسعه است.
در منظر کاربردهای محیطی، دستگاههای تولیدشده با HydroSpread می‌توانند به‌عنوان سنسورهای توزیعشده جهت پایش کیفیت آب، تشخیص لکه‌های نفتی، یا اندازه‌گیری معیارهای زیستمحیطی مانند دما و شوری در نقاطی که دسترسی محدود یا حساس است، مورد استفاده قرار گیرند. در زمینهٔ پزشکی، فیلمهای نازک و انعطافپذیر قادرند به‌عنوان حسگرهای پوستی یا زیرپوش‌های تصویربرداری قرار گیرند، جایی که سازگاری با بافت و توانایی انطباق با سطوح منحنی اهمیت ویژه‌ای دارد. همچنین، در طراحی سیستم‌های رباتیک جمع‌پذیر یا گسست‌پذیر برای عملیات‌های امدادی در مناطق سیلزده، وزن کم و توانایی حرکت روی سطح آب میتواند مزایای عملی قابل توجهی ایجاد کند.
در جمع‌بندی، HydroSpread نه‌تنها یک تکنیک جدید ساخت فراهم میآورد، بلکه یک جوهر فکری نوین نیز معرفی میکند: بهره‌گیری از خواص فیزیکی سطح مایع برای کاهش محدودیت‌های ساخت سنتی و باز کردن درِ نوآوری در حوزه رباتیک نرم، الکترونیک منعطف و حسگرهای محیطی. ادامهٔ پژوهش‌های بین‌رشته‌ای که شامل علوم مواد، مکانیک نرم، مهندسی کنترل و نانو-الکترونیک است، برای تبدیل این مفهوم به راهکارهای عملی و تجاری ضروری خواهد بود.
منبع: scitechdaily
نظرات