قدم علماء من الولايات المتحدة روبوتات مجهرية قادرة على إدراك البيئة ومعالجة البيانات الحسية وأداء المهام دون تحكم خارجي. وفقًا لمؤلفي المشروع، فإن هذه هي أصغر الروبوتات القابلة للبرمجة والمستقلة في العالم على الإطلاق. ونشرت النتائج في المجلة الروبوتات العلمية.

آلة ذات حجم غير مرئي تقريبًا

كل روبوت عبارة عن لوحة مستطيلة رفيعة تبلغ أبعادها حوالي 0.2 × 0.3 × 0.05 ملم. إنه مرئي قليلاً بالعين المجردة ويمكن مقارنته من حيث الحجم بالكائنات الحية الدقيقة. على الرغم من ذلك، يحتوي الجهاز على مجموعة كاملة من عناصر الآلة المستقلة: مصدر للطاقة، وأجهزة استشعار، و”دماغ” حاسوبي، ونظام دفع.

يتم تصنيع الروبوتات باستخدام تقنيات الإلكترونيات الدقيقة القياسية، مما يسمح بإنتاجها على دفعات على ورقة واحدة من المواد. وفقا للمطورين، يمكن أن تكون تكلفة نسخة واحدة أقل من دولار واحد، ويمكن أن يصل عمر البطارية إلى عدة أشهر.

لماذا يصعب على الروبوتات الصغيرة التحرك؟

على المستوى المجهري، تعمل الفيزياء بشكل مختلف. في الماء، تكون المقاومة واللزوجة كبيرة جدًا لدرجة أن الحركة تشبه محاولة السباحة في شراب سميك. وهذه المشكلة هي التي حدت من تطوير الروبوتات الدقيقة لعقود من الزمن، على الرغم من التقدم في تصغير الإلكترونيات.

اقترح فريق مارك ميسكين نهجا مختلفا جذريا. بدلاً من الأجزاء المتحركة الميكانيكية، تقوم الروبوتات بإنشاء مجال كهربائي يحرك الأيونات في السائل المحيط. تقوم هذه الأيونات بنقل الزخم إلى جزيئات الماء، مما يشكل قوة دفع. وبالتالي، فإن الروبوت “يحرك الماء” حرفيًا بدلاً من دفعه بعيدًا عنه. تم وصف هذه الآلية بالتفصيل في المجلة بناس.

يقول مارك ميسكين، الأستاذ المساعد في جامعة بنسلفانيا: “لقد تمكنا من تقليل حجم الروبوتات المستقلة بنحو 10000 مرة. وهذا يفتح إمكانيات جديدة تمامًا للأنظمة القابلة للبرمجة”.

“دماغ” مصغر ومدعوم بالضوء

تم تطوير الجزء الحاسوبي من قبل متخصصين من جامعة ميشيغان. يعمل برنامج الروبوت بحوالي 75 نانو واط من الطاقة، أي أقل بحوالي 100 ألف مرة من الساعة الذكية. ولجمع هذا القدر من الطاقة، تشغل الخلايا الشمسية المجهرية جزءًا كبيرًا من السطح. كما أنها تستخدم كأجهزة استشعار بصرية لتلقي الأوامر.

تتم البرمجة باستخدام نبضات الضوء. يتمتع كل روبوت بمعرف فريد، مما يسمح لك بتعيين تعليمات محددة للأجهزة الفردية داخل المجموعة وتوزيع الأدوار فيما بينها.

يوضح ديفيد بلاو، أحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة: “كان علينا إعادة التفكير بالكامل في تعليمات الكمبيوتر، وتقليص الأوامر المعقدة إلى عمليات فردية بحيث تتناسب مع ذاكرة صغيرة”.

من الخلايا إلى الصناعة

الروبوتات قادرة على التحرك على مسارات معقدة، وتنسيق الإجراءات في مجموعة وقياس درجة الحرارة بدقة تصل إلى ثلث درجة مئوية. وفي التجارب، نقلوا البيانات عن طريق التأرجح قليلاً، على غرار “الرقصة الهزازة” التي يستخدمها نحل العسل.

الميزة الرئيسية لهذه الأجهزة هي حجمها المجهري. بفضل أحجامها المماثلة للخلايا والكائنات الحية الدقيقة، يمكن للروبوتات العمل حيثما تكون التكنولوجيا التقليدية عاجزة. وفي الطب، يفتح هذا إمكانية المراقبة المستهدفة للعمليات البيولوجية. مثل هذه الأنظمة قادرة على قياس درجات الحرارة والتغيرات الكيميائية على مستوى الخلايا الفردية، مما سيجعل من الممكن في المستقبل مراقبة الالتهاب ونمو الورم واستجابة الأنسجة للعلاج دون تدخل جراحي.

في علم الصيدلة، يمكن استخدام الروبوتات الدقيقة لاختبار الأدوية في بيئة خلوية، وفي المستقبل لتوصيل المواد الفعالة بشكل مستهدف. إن قدرتهم على العمل في مجموعات تجعل جمع البيانات الجماعية وتوزيع المهام ممكنًا.

الصناعة هي مجال مهم آخر. تعد الروبوتات الدقيقة مناسبة لتجميع الأجهزة الدقيقة والتحكم فيها، وفحص المناطق التي يصعب الوصول إليها من الدوائر الدقيقة والتشخيص المبكر للعيوب. التكلفة المنخفضة والاستقلالية تجعل من الممكن استخدام مئات وآلاف من هذه الأجهزة في وقت واحد.

بالإضافة إلى ذلك، تعد الروبوتات الدقيقة ذات أهمية للعلوم الأساسية، مما يسمح بدراسة العمليات الفيزيائية والبيولوجية على نطاق مجهري وتكون بمثابة الأساس للأنظمة الروبوتية المحتشدة في المستقبل.

ويؤكد ميسكين: “هذا هو الفصل الأول فقط. لقد أظهرنا أنه من الممكن وضع دماغ وجهاز استشعار ومحرك في جسم يكاد يكون من المستحيل رؤيته. ولن يؤدي ذلك إلا إلى زيادة الفرص”.