علماء يدمجون حاسوبًا داخل روبوت بحجم حبة ملح

باختصار

• قام الباحثون ببناء روبوتات مستقلة بحجم حبة ملح صغيرة جدًا تسبح، وتستشعر درجة الحرارة، وتعمل بشكل مستقل لعدة أشهر.
• تستخدم الروبوتات حقولًا كهربائية بدلًا من الأجزاء المتحركة.
• إنها أول روبوتات تحت المليمتر مزودة بأجهزة حاسوب مدمجة، وتكلف قرشًا واحدًا لكل منها في التصنيع.

قام الباحثون مؤخرًا بتصغير الروبوتات المستقلة إلى حجم ذرة غبار. ويمكن للروبوتات أن تفكر—نوعًا ما. فريق من جامعة بنسلفانيا وجامعة ميشيغان صنع آلات مجهرية—بحجم 200 في 300 في 50 ميكرومتر، أي بحجم حبة ملح—تسبح عبر السائل، وتستشعر تغيرات درجة الحرارة، وتتخذ قراراتها بنفسها، وتعمل لعدة أشهر في كل مرة. يكلف كل واحد منها حوالي قرش واحد في التصنيع. هذه الروبوتات الصغيرة مستقلة تمامًا. لا أسلاك، لا حقول مغناطيسية، لا عصا تحكم من الخارج. فقط حاسوب صغير، وأجهزة استشعار، ونظام دفع مضغوط في شيء يكاد يكون أصغر من أن يُرى بالعين المجردة. 

“لقد صنعنا روبوتات مستقلة أصغر بمقدار 10,000 مرة،” قال مارك ميسكين، أستاذ مساعد في هندسة بنسلفانيا، لـ Science Daily. “هذا يفتح أفقًا جديدًا تمامًا للروبوتات القابلة للبرمجة.” يحل هذا الاختراق مشكلة حيرت الروبوتات لمدة 40 عامًا: كيفية بناء آلات تعمل بشكل مستقل تحت المليمتر. استمرت الإلكترونيات في التصغير، لكن الروبوتات لم تتبع ذلك. الفيزياء عند هذا المقياس قاسية—شرح ميسكين أن الدفع عبر الماء يشبه الدفع عبر القار، والأذرع أو الأرجل الصغيرة تتكسر بسهولة. لذا، تخلص الفريق تمامًا من التصاميم التقليدية. بدلاً من ثني أو مرونة الأطراف، تولد هذه الروبوتات حقلًا كهربائيًا يدفع الجسيمات المشحونة في السائل المحيط. تلك الأيونات تسحب معها جزيئات الماء، مما يخلق حركة.

تصور زمني متوقع لمسارات جسيمات التتبع بالقرب من روبوت يتكون من ثلاثة محركات مرتبطة معًا. (الائتمان: لوكاس هانسون وويليام رينهارت، جامعة بنسلفانيا)

يعمل هذا النهج لأنه لا يحتوي على أجزاء متحركة. الأقطاب الكهربائية متينة بما يكفي لنقلها مرارًا وتكرارًا بين العينات باستخدام أنبوب ميكروية دون تلف. مدعومة بضوء LED، تواصل السباحة لعدة أشهر.

تنتج الألواح الشمسية الصغيرة التي تزود هذه الروبوتات فقط 75 نانووات. لجعلها تعمل، صممت ميشيغان دوائر تعمل بجهود منخفضة جدًا، مما يقلل الاستهلاك بأكثر من 1000 مرة. كما اضطروا إلى إعادة التفكير تمامًا في كيفية عمل البرمجيات، حيث قاموا بتكثيف ما يتطلب عادة العديد من التعليمات إلى أوامر مخصصة صغيرة تتناسب مع ذاكرة مجهرية. النتيجة: أول روبوت تحت المليمتر مزود بحاسوب كامل. معالج، ذاكرة، أجهزة استشعار—الحزمة الكاملة. لم يسبق لأحد أن فعل ذلك بهذا المقياس.

روبوت مجهر، مدمج بالكامل مع أجهزة استشعار وحاسوب، صغير بما يكفي ليوازن على حافة بصمة الإصبع. الائتمان: مارك ميسكين، جامعة بنسلفانيا (داخل الصورة: روبوت مجهر على بنس أمريكي، يظهر المقياس. الائتمان: مايكل سيماري، جامعة ميشيغان)

يمكن لهذه الروبوتات اكتشاف درجة الحرارة بدقة تصل إلى ثلث درجة مئوية—ستة أعشار درجة فهرنهايت لمحبي النظام الإمبراطوري. يمكنها التحرك نحو المناطق الأدفأ أو الإبلاغ عن قيم درجة الحرارة التي تمثل مؤشرات على النشاط الخلوي—ربما لمراقبة خلايا فردية. للتواصل قياساتهم، صمم الباحثون تعليمات خاصة ترمز البيانات في “تذبذبات” رقصة صغيرة يؤديها الروبوت. يراقب العلماء من خلال مجهر ويفكون الشفرة. إنه يشبه تواصل نحل العسل، قال أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب في جامعة ميشيغان ديفيد بلاو. يتم برمجة الروبوتات عبر نبضات ضوئية تزودها بالطاقة أيضًا. كل واحد منها لديه عنوان فريد، مما يسمح للباحثين بتحميل برامج مختلفة على وحدات مختلفة. يمكنها العمل بشكل مستقل أو التنسيق في مجموعات، والتحرك في أنماط مثل أسراب الأسماك بسرعة تصل إلى طول جسم واحد في الثانية. قد تتضمن الإصدارات المستقبلية برامج أكثر تعقيدًا، أو دمج أجهزة استشعار جديدة، أو العمل في بيئات أكثر قسوة. التصميم الحالي هو منصة—نظام الدفع الخاص به يعمل مع إلكترونيات يمكن تصنيعها بتكلفة منخفضة على نطاق واسع. “هذه حقًا مجرد الفصل الأول،” قال ميسكين. “لقد أظهرنا أنه يمكنك وضع دماغ، ومستشعر، ومحرك في شيء يكاد يكون أصغر من أن يُرى، وأن يظل حيًا ويعمل لعدة أشهر.” “بمجرد أن تملك تلك القاعدة،” أضاف، “يمكنك إضافة جميع أنواع الذكاء والوظائف.”