الروبوتات المجهرية التي تسبح تفكر وتتصرف بمفردها

قام العلماء ببناء روبوتات مجهرية تعمل بالطاقة الضوئية يمكنها التفكير والسباحة والعمل بشكل مستقل على نطاق الخلايا الحية.

الباحثون في جامعة بنسلفانيا وقامت جامعة ميشيغان بتطوير أصغر روبوتات مستقلة قابلة للبرمجة بالكامل على الإطلاق. يمكن لهذه الآلات الصغيرة أن تسبح في السائل، وتستشعر وتستجيب لما يحيط بها من تلقاء نفسها، وتعمل بشكل متواصل لعدة أشهر، وتبلغ تكلفة القطعة الواحدة منها قرشًا واحدًا تقريبًا.

كل روبوت يكون غير مرئي تقريبًا بدون تكبير. تبلغ أبعادها حوالي 200 × 300 × 50 ميكرومتر، وهي أصغر من حبة الملح. ولأنها تعمل على نفس نطاق العديد من الكائنات الحية الدقيقة، يمكن للروبوتات في نهاية المطاف أن تدعم الأدوات الطبية الجديدة لمراقبة الخلايا الفردية وتمكين تقنيات التصنيع الجديدة لبناء أجهزة صغيرة للغاية.

تعمل الروبوتات بالضوء وتحتوي على أجهزة كمبيوتر مجهرية. ويمكن برمجتها لمتابعة أنماط الحركة المعقدة، واكتشاف التغيرات في درجات الحرارة في بيئتها المباشرة، وتغيير اتجاهها بناءً على تلك القراءات.

تم نشر تفاصيل العمل في الروبوتات العلمية و وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS). على عكس الآلات الصغيرة السابقة، لا تعتمد هذه الروبوتات على الأسلاك أو التوجيه المغناطيسي أو التحكم الخارجي على شكل عصا التحكم. وهذا الاستقلال يجعلهم أول روبوتات قابلة للبرمجة بهذا الحجم ويمكنها العمل بمفردها.

يقول مارك ميسكين، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة النظم في جامعة بنسلفانيا الهندسية والمؤلف الرئيسي للأوراق البحثية: “لقد صنعنا روبوتات مستقلة أصغر بـ 10000 مرة”. “وهذا يفتح نطاقًا جديدًا تمامًا للروبوتات القابلة للبرمجة.”

لماذا استغرق بناء الروبوتات الصغيرة وقتًا طويلاً؟

على مر السنين، تقلصت المكونات الإلكترونية بشكل مطرد، لكن الروبوتات المستقلة لم تتبع نفس الاتجاه. ووفقا لمسكين، فإن تقليص الروبوتات إلى أقل من ملليمتر واحد مع إبقائها مستقلة ظل تحديا لم يتم حله. ويقول: “إن بناء الروبوتات التي تعمل بشكل مستقل بأحجام أقل من ملليمتر واحد أمر صعب للغاية”. “لقد ظل المجال عالقًا في هذه المشكلة لمدة 40 عامًا.”

تكمن الصعوبة في كيفية تغير الفيزياء على نطاقات صغيرة. في الحياة اليومية، تتشكل الحركة بواسطة قوى مثل الجاذبية والقصور الذاتي، والتي تعتمد على حجم الجسم. وفي حجم الخلية، تهيمن بدلاً من ذلك القوى المرتبطة بالسطح، مثل السحب واللزوجة. يشرح ميسكين قائلاً: “إذا كنت صغيراً بما فيه الكفاية، فإن الضغط على الماء يشبه الدفع عبر القطران”.

ولهذا السبب، تفشل تصميمات الروبوتات التقليدية عند تصغير حجمها. الأطراف والمفاصل التي تعمل في الآلات الأكبر تصبح هشة وغير عملية. يقول ميسكين: “من السهل كسر الأرجل والأذرع الصغيرة جدًا”. “إنها أيضًا صعبة جدًا في البناء.”

ولحل هذه المشكلة، أنشأ فريق البحث شكلاً جديدًا من أشكال الدفع مصممًا خصيصًا لفيزياء العالم المجهري، بدلاً من تكييف الأساليب المستخدمة على نطاقات أكبر.

وتتحرك الروبوتات، وكل منها أصغر من حبة الملح، باستخدام مجال كهربائي للتلاعب بالأيونات المحيطة بها. يمكنهم استشعار درجات الحرارة، ويمكنهم تطوير الطب من خلال مراقبة صحة الخلايا الفردية. الائتمان: بيلا سيرفو، بنسلفانيا الهندسية

طريقة جديدة للسباحة على المقاييس المجهرية

تتحرك الأسماك وغيرها من السباحين الكبار عن طريق دفع الماء إلى الخلف، مما يولد حركة للأمام من خلال قانون نيوتن الثالث. تتخذ الروبوتات المجهرية نهجًا مختلفًا تمامًا.

وبدلاً من الانحناء أو الرفرفة، تقوم الروبوتات بإنشاء مجال كهربائي يحرك بلطف الجسيمات المشحونة في السائل المحيط. ومع تحول تلك الأيونات، فإنها تسحب معها جزيئات الماء القريبة، مما يؤدي إلى تحريك السائل حول الروبوت. يقول ميسكين: “يبدو الأمر كما لو كان الروبوت في نهر متحرك، لكن الروبوت يتسبب أيضًا في تحرك النهر”.

ومن خلال ضبط هذا المجال الكهربائي، يمكن للروبوتات تغيير اتجاهها، واتباع مسارات معقدة، وحتى التحرك معًا في مجموعات منسقة تشبه سرب الأسماك. إنهم قادرون على الوصول إلى سرعات تصل إلى طول جسم واحد في الثانية.

ونظرًا لأن طريقة الدفع هذه تعتمد على أقطاب كهربائية بدون أجزاء متحركة، فإن الروبوتات متينة للغاية. ووفقا لمسكين، يمكن نقلها بين العينات عدة مرات باستخدام الماصة الدقيقة دون أي ضرر. وبدعم من ضوء LED، تستطيع الروبوتات الاستمرار في السباحة لعدة أشهر.

تعبئة الذكاء في روبوت مجهري

يتطلب الحكم الذاتي أكثر من مجرد الحركة. يجب على الروبوت أيضًا معالجة المعلومات واستشعار البيئة المحيطة به وتوفير الطاقة بنفسه. يجب أن تتناسب جميع هذه المكونات مع شريحة لا يتجاوز حجمها جزءًا من المليمتر. تمت معالجة هذا التحدي من قبل فريق ديفيد بلاو في جامعة ميشيغان.

يحمل مختبر Blaauw الرقم القياسي لبناء أصغر جهاز كمبيوتر في العالم. عندما التقى بلاو وميسكين قبل خمس سنوات في وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (داربا) العرض التقديمي، وسرعان ما أدركوا مدى توافق تقنياتهم معًا. يقول بلاو: “لقد رأينا أن نظام الدفع الخاص بشركة Penn Engineering وأجهزة الكمبيوتر الإلكترونية الصغيرة لدينا قد تم تصنيعهما لبعضهما البعض”. ومع ذلك، فإن تحويل هذه الفكرة إلى روبوت عامل يتطلب سنوات من التعاون.

وكانت القوة إحدى العقبات الرئيسية. يقول بلاو: “إن التحدي الرئيسي الذي يواجه الإلكترونيات هو أن الألواح الشمسية صغيرة الحجم ولا تنتج سوى 75 نانو واط من الطاقة. وهذا أقل من الطاقة التي تستهلكها الساعة الذكية بأكثر من 100 ألف مرة”. للعمل في ظل هذه القيود، صمم فريق ميشيغان دوائر متخصصة تعمل بجهد كهربائي منخفض للغاية، مما يقلل من استهلاك الطاقة بأكثر من 1000 مرة.

كان الفضاء قيدًا آخر. وتحتل الألواح الشمسية معظم سطح الروبوت، مما يترك مساحة صغيرة لأجهزة الكمبيوتر. ولمعالجة هذه المشكلة، أعاد الباحثون تصميم كيفية تخزين التعليمات وتنفيذها. يوضح بلاو: “كان علينا أن نعيد التفكير بشكل كامل في تعليمات برنامج الكمبيوتر، حيث نقوم بتكثيف ما يتطلب تقليديًا العديد من التعليمات للتحكم في الدفع في تعليمات واحدة خاصة لتقليص طول البرنامج ليناسب مساحة الذاكرة الصغيرة للروبوت”.

الروبوتات التي تستشعر وتتواصل

وقد أدت هذه التطورات مجتمعة إلى ما وصفه الباحثون بأول روبوت بحجم أقل من ملليمتر قادر على اتخاذ قرارات حقيقية. وعلى حد علمهم، لم يشتمل أي روبوت سابق بهذا الحجم على نظام كمبيوتر كامل مع معالج وذاكرة وأجهزة استشعار. يسمح هذا الإنجاز للروبوتات باستشعار الظروف والتصرف بشكل مستقل.

تم تجهيز كل روبوت بأجهزة استشعار إلكترونية يمكنها قياس درجة الحرارة باستخدام دقة بحوالي ثلث درجة مئوية. وهذا يمكّنهم من التحرك نحو المناطق الأكثر دفئًا أو الإبلاغ عن قراءات درجة الحرارة التي يمكن أن تكون بمثابة مؤشرات للنشاط الخلوي، مما يوفر طريقة لتقييم صحة الخلايا الفردية.

يتطلب توصيل تلك المعلومات حلاً إبداعيًا. يقول بلاو: “للإبلاغ عن قياسات درجة الحرارة الخاصة بهم، قمنا بتصميم تعليمات حاسوبية خاصة تشفر قيمة، مثل درجة الحرارة المقاسة، في اهتزازات رقصة صغيرة يؤديها الروبوت”. “ثم ننظر إلى هذه الرقصة من خلال المجهر بالكاميرا ونفك تشفير ما تقوله الروبوتات لنا من الاهتزازات. إنها تشبه إلى حد كبير كيفية تواصل نحل العسل مع بعضها البعض.”

تتم برمجة الروبوتات باستخدام نبضات من الضوء، والتي توفر لها الطاقة أيضًا. ولكل روبوت عنوانه الفريد، مما يسمح للباحثين بتعيين برامج مختلفة لوحدات مختلفة. ويضيف بلاو: “يفتح هذا مجموعة من الاحتمالات، حيث من المحتمل أن يؤدي كل روبوت دورًا مختلفًا في مهمة مشتركة أكبر.”

الأساس للروبوتات المجهرية في المستقبل

تمثل الروبوتات الحالية نقطة انطلاق وليست منتجًا نهائيًا. يمكن أن تتضمن الإصدارات المستقبلية برامج أكثر تقدمًا، أو سرعات أعلى، أو أجهزة استشعار إضافية، أو القدرة على العمل في بيئات أكثر قسوة. ويعمل التصميم كمنصة مرنة، تجمع بين نظام دفع قوي وإلكترونيات يمكن تصنيعها بتكلفة زهيدة وتكييفها مع مرور الوقت.

يقول مسكين: “هذا في الحقيقة مجرد الفصل الأول”. “لقد أظهرنا أنه يمكنك وضع دماغ وجهاز استشعار ومحرك في شيء صغير جدًا تقريبًا بحيث لا يمكن رؤيته، وجعله يبقى على قيد الحياة ويعمل لعدة أشهر. وبمجرد حصولك على هذا الأساس، يمكنك طبقة على جميع أنواع الذكاء والوظائف. إنه يفتح الباب أمام مستقبل جديد تمامًا للروبوتات على المستوى المجهري. “

مراجع:

“الروبوتات المجهرية التي تشعر وتفكر وتتصرف وتحسب” بقلم مايا إم. لاسيتر، وجونغهو لي، وكايل سكيليل، ولي شو، ولوكاس هانسون، ووليام إتش. رينهاردت، ودينيس سيلفستر، ومارك يم، وديفيد بلاو، ومارك ز. ميسكين، 10 ديسمبر 2025، الروبوتات العلمية.
دوى: 10.1126/scirobotics.adu8009

“الدفع الكهروحركي للروبوتات المجهرية المدمجة إلكترونيًا” بقلم لوكاس سي. هانسون، وويليام إتش. رينهاردت، وسكوت شراجر، وتارونيا سيفاكومار، ومارك زي. ميسكين، 15 يوليو 2025، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2500526122

تم إجراء البحث في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة بنسلفانيا، وكلية بنسلفانيا للآداب والعلوم، وجامعة ميشيغان، قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر. تم توفير التمويل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF 2221576)، ومكتب الرئيس بجامعة بنسلفانيا، ومكتب القوات الجوية للبحث العلمي (AFOSR FA9550-21-1-0313)، ومكتب أبحاث الجيش (ARO YIP W911NF-17-S-0002)، ومؤسسة باكارد، ومؤسسة سلون، وبرنامج البنية التحتية المنسق لتكنولوجيا النانو الوطنية التابع لـ NSF (NNCI-2025608)، الذي يدعم مركز سينغ لتقنية النانو، إلى جانب شركة فوجيتسو لأشباه الموصلات.

ومن بين المؤلفين المشاركين الإضافيين مايا إم. لاسيتر، وكايل سكيليل، ولوكاس سي. هانسون، وسكوت شراغر، وويليام إتش. رينهاردت، وتارونيا سيفاكومار، ومارك يم من جامعة بنسلفانيا، ودينيس سيلفستر، ولي شو، وجونغهو لي من جامعة ميشيغان.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.