تاریخچه‌ای کوتاه از سافت رباتیک
وقتی بیشتر مردم به یک ربات فکر میکنند، تصوری از فلز سخت و حرکات سخت و مکانیکی در ذهنشان تداعی میشود. اما نوع دیگری از ربات وجود دارد که این تصور عمومی را نقض میکند: رباتی که انعطاف‌پذیر و نرم است و بیشتر شبیه به حیات ارگانیک حرکت میکند تا یک ماشین. این نوع ربات‌ها به عنوان سافت رباتیک شناخته میشوند. به جای فولاد و گرافیت، سافت رباتیک از موادی مانند سیلیکون، لاستیک و ژل ساخته میشوند که به آن‌ها دامنه و سبک حرکتی میدهد که برای ماشین‌های سنتی تقریباً غیرممکن است.
زیرا آن‌ها به طور منحصر به فردی حرکت و رفتار میکنند، سافت رباتیک از چندین مزیت نسبت به همتایان فلزی خود برخوردار است، از جمله مقاومت بهبود یافته در برابر برخورد و ظرفیت بیشتر برای حرکت‌های پیچیده. این مقاله به طور مختصر تاریخچه این زیرشاخه هیجان‌انگیز از رباتیک، مزایا و معایب آن و بسیاری از کاربردهای جذاب آن در بخش‌های مختلف را بررسی میکند.
به طور شگفت‌انگیز، ایده ساخت ربات‌هایی با مواد نرم‌تر تقریباً به قدمت ایده مدرن ربات‌ها وجود داشته است. کاربردهای واقعی این ایده با عضله مصنوعی مک‌کیبن، که در سال 1950 توسعه یافت، آغاز شد. این دستگاه‌ها که به عضلات هوای مک‌کیبن نیز معروف هستند، شامل یک لوله پنوماتیک انعطاف‌پذیر محصور شده توسط شبکه‌بندی بافته‌شده هستند. اگرچه این عضله پنوماتیک ابتدا برای ارتزها توسعه یافته بود، اما از زمان توسعه‌اش در طراحی‌های مختلف ربات‌ها نیز به کار گرفته شده است.
مک‌کیبن همچنین چندین فناوری را الهام بخشید که زمینه‌ساز حوزه مدرن سافت رباتیک شدند. پیشرفت عمده بعدی در سافت رباتیک تا اواخر قرن بیستم رخ نداد. در سال 1990، اس. شیماتچی و ام. ماتوموتو مقاله‌ای با عنوان “مطالعه‌ای بر نیروهای تماس انگشتان نرم” منتشر کردند که به تحلیل تغییر شکل سطح انگشت، اصطکاک و دست‌کاری پرداخت. یک سال بعد، اولین میکرو-محرک لاستیکی سیلیکونی انعطاف‌پذیر توسعه یافت.
در سال‌های بعد، تعداد زیادی فناوری و نوآوری جدید پدید آمدند، از جمله دست‌کاری‌کننده‌هایی که از شاخک‌ها و خرطوم فیل الگو گرفته‌اند، عضلات مصنوعی متشکل از پلیمرهای الکترواستریکتیو و محرک‌های سیال. از آن زمان، توسعه ربات‌ها و مواد الهام گرفته از زیست‌شناسی همچنان در حال تکامل بوده است. به عنوان مثال، در سال 2016 دانشگاه هاروارد اولین ربات نرم کاملاً خودمختار، Octobot را معرفی کرد. اخیراً، دانشگاه کرنل یک سافت رباتیک را توسعه داده است که قادر به تشخیص و ترمیم آسیب است.
آناتومی یک سافت رباتیک
سافت رباتیک عموماً از مواد انعطاف‌پذیری مانند مایعات، الاستومرها یا ژل‌ها از طریق فرآیندی به نام تطبیق انطباقی ساخته میشوند. این فرآیند شامل تنظیم خواص مکانیکی مواد برای مطابقت نزدیک با محیط اطراف است که باعث توزیع یکنواخت بار و کاهش استرس میشود. در مورد عملگرها، سافت رباتیک ممکن است از یک یا چند سیستم زیر استفاده کنند:
- عملگرهای پنوماتیک که به هوای فشرده متکی هستند.
- عملگرهای هیدرولیک که به مایعاتی مانند روغن یا آب وابسته‌اند.
- عملگرهای حرارتی پاسخگو که به عنوان آلیاژهای حافظه‌دار (SMA) نیز شناخته میشوند و در مواجهه با حرارت شکل خود را تغییر میدهند.
- عملگرهای پلیمر الکتروفعال که از ترکیب الکترودها، پلیمرهای عایق و پلیمرهای رسانا برای حرکت استفاده میکنند.
- عملگرهای مغناطیسی که از طریق اعمال میدان مغناطیسی حرکت ایجاد میکنند.
- عملگرهای پاسخگو به نور که با تغییر شکل در مواجهه با نور مرئی واکنش نشان میدهند.
- عملگرهای انفجاری که از انفجارهای کنترل‌شده برای نیرو و حرکت استفاده میکنند.
رایج‌ترین فرآیند برای ساخت و تولید سافت رباتیک، قالب‌گیری لیتوگرافی نرم است که شامل مراحل زیر میشود:
- ساخت اجزای داخلی که به عنوان لایه محدودکننده شناخته میشوند. این اجزا حرکت لازم را فراهم میکنند و معمولاً از طریق چاپ سه‌بعدی یا ریخته‌گری ساخته میشوند.
- مدل‌سازی لایه بیرونی انعطاف‌پذیر ربات بر اساس فرم مطلوب. این معمولاً با ریخته‌گری و پخت لاستیک سیلیکونی یا مواد مشابه در قالبی خاص انجام میشود.
- اتصال لایه‌های مختلف از طریق الاستومر ناپخته. پس از پخت مجدد، عملگر نهایی از قالب جدا میشود.
ربات‌های نرم پیچیده‌تر ممکن است به مراحل توسعه یا تولید اضافی نیاز داشته باشند، از جمله توسعه نرم‌افزار و سیستم‌عامل داخلی ربات، اما فرآیند اصلی عموماً یکسان باقی میماند.
مزایا و معایب سافت رباتیک
اگرچه سافت رباتیک نسبت به ربات‌های پیچیده مزایای بسیاری دارند، اما بدون ضعف نیستند و برای هر کاربردی مناسب نمی‌باشند. سافت رباتیک ظرفیت بهتری برای حرکات پیچیده دارند و شکل انعطاف‌پذیر و سازگاری که برای کاربردهای چندمنظوره مناسب است، به ویژه آن‌هایی که نیاز به حرکات دقیق یا دست‌کاری ظریف دارند. در حالی که ربات‌های سخت کمتر انعطاف‌پذیر هستند و قابلیت حرکت پیچیده کمتری دارند، قدرت و دقت بیشتری دارند و ظرفیت باربری بالاتری دارند. به دلیل این ویژگی‌ها، ربات‌های سخت در کاربردهای صنعتی سنگین، به ویژه آن‌هایی که نیاز به حرکات دقیق دارند، بهتر عمل می‌نند.
به دلیل اینکه سافت رباتیک از مواد جاذب ضربه ساخته شده‌اند، در برابر آسیب‌های برخوردی مقاوم‌تر هستند، اگرچه احتمال آسیب دیدن از سوراخ‌ها، پارگی‌ها یا بریدگی‌ها بیشتر است. مواد سافت رباتیک نیز معمولاً مقرون به صرفه‌تر و سازگارتر با محیط زیست هستند. تطبیق برای یک سافت رباتیک نیز به دلیل شباهت بیشتر مواد آن‌ها به مواد بیولوژیکی، آسان‌تر است.
با این حال، دو نقص اصلی این مزایا را کاهش میدهند:
- سافت رباتیک ممکن است به قطعات الکترونیکی ویژه‌ای نیاز داشته باشند که یافتن آن‌ها دشوار است.
- سافت رباتیک نیز معمولاً نیاز به کنترل و توان بیشتری نسبت به ربات‌های سخت دارند.
یکی از مهم‌ترین مزایای سافت رباتیک نسبت به ربات‌های سخت این است که برای تعامل با انسان مناسب‌تر هستند. در حالی که انسان‌ها ممکن است حرکات و ظاهر یک ربات سخت را ناپسند بدانند، طراحی زیست‌سازگار یک سافت رباتیک معمولاً باعث راحتی آن‌ها میشود. یک مطالعه در دانشگاه ایالتی واشنگتن در سال 2023 حتی نشان داد که مواجهه با سافت رباتیک اضطراب کار با یا جایگزین شدن توسط ربات‌ها را کاهش میدهد.
سافت رباتیک در حوزه سلامت
کاربردهای بالقوه برای سافت رباتیک بسیار متنوع هستند و کاربردهای جدیدی به طور مداوم در حال اکتشاف می‌باشند. با توجه به اینکه عضله مصنوعی مک‌کیبن ابتدا برای مقاصد پزشکی توسعه یافت، مناسب به نظر میرسد که سافت رباتیک به ویژه در حوزه سلامت مفید باشند.
انعطاف‌پذیری و نرمی سافت رباتیک به راحتی میتوانند برای توسعه جایگزین‌های پیچیده اندام به کار روند. با توجه به پوست مصنوعی که توسط مهندسین استنفورد در سال 2015 توسعه یافته است، این پروتزهای نسل بعدی حتی میتوانند قابلیت حس لمس یک اندام ارگانیک را شبیه‌سازی کنند. با توجه به اینکه سافت رباتیک در حال حاضر قادر به خودترمیمی و رشد خودمختار هستند، ما ممکن است در آینده پروتزهایی ببینیم که همراه با استفاده‌کنندگان خود ترمیم و رشد میکنند.
طراحی سافت رباتیک در حمایت از بیماران
طراحی‌های سافت رباتیک میتوانند به عنوان لباس‌های حمایتی برای بیماران با حرکت محدود و به عنوان تکنولوژی توانبخشی پوشیدنی مورد استفاده قرار گیرند. اسکلت خارجی رباتیک پوشیدنی مفهوم جدیدی نیست، زیرا شرکت‌هایی مانند ReWalk ،Ekso Bionics و Cyberdyne هر کدام نسخه‌های خود را از این فناوری ارائه کرده‌اند. در مقایسه با اسکلت‌های خارجی سخت سنتی، اسکلت‌های خارجی نرم رباتیک پتانسیل ارائه راحتی بیشتر و حمل‌ونقل آسان‌تر را دارند و همچنین از دامنه حرکتی طبیعی‌تری پشتیبانی میکنند.
همچنین میتوان گامی فراتر رفت و از سافت رباتیک برای جایگزینی یا بازسازی قسمت‌های داخلی بدن مانند اندام‌ها و عضلات آسیب‌دیده یا مفقود شده استفاده کرد. اندام‌های مصنوعی نیز میتوانند برای آموزش پزشکی استفاده شوند و به جراحان و دیگر متخصصان پزشکی امکان تمرین روی شبیه‌سازی‌های واقعی‌تر را بدهند.
سافت رباتیک در تشخیص و جراحی
فراتر از پروتزها و توانبخشی، پزشکان میتوانند سافت رباتیک و هوش مصنوعی را برای اجرای روش‌های تشخیصی و جراحی پیچیده و حداقل تهاجمی ترکیب کنند. پروفسور شیلا روسو، مؤسس و مدیر آزمایشگاه رباتیک مواد دانشگاه بوستون، در این زمینه پیشرفت‌های بزرگی داشته است. روسو و همکارانش با همکاری دانشجویان دانشکده پزشکی هاروارد، یک حسگر نرم برای تشخیص خونریزی در حین کولونوسکوپی و یک دستکش بازخورد لمسی برای تسهیل در ناوبری در حین روش‌های اندوسکوپی توسعه داده‌اند.
سافت رباتیک همچنین میتواند برای تحویل دارو استفاده شود، با دستگاه‌های مبتنی بر ژلاتین که دارو را به مناطق خاصی از بدن میرسانند. پتانسیل این فناوری بسیار فراتر از تحویل دارو است. سافت رباتیک پزشکی پیشرفته‌تر میتوانند بیماری را درمان کنند. برای مثال، در سال 2023، محققان دانشگاه لیدز رباتی توسعه دادند که قادر به ورود به ریه‌ها برای تشخیص و مداخله زودهنگام در سرطان ریه است. ارائه‌دهندگان خدمات میتوانند ربات‌های انسان‌نما را به عنوان دستیاران برای بیماران و سالمندان با محدودیت حرکتی به کار گیرند.
کاربردهای دیگر سافت رباتیک
فناوری سافت رباتیک در خارج از حوزه سلامت نیز بسیار امیدوارکننده است. برای امدادگران و کارگران صنعتی، اسکلت‌های خارجی نرم مانند اسکلت خارجی موسسه Wyss هاروارد میتواند قدرت و حفاظت بیشتری را فراهم کند. سافت رباتیک همچنین میتوانند برای سناریوهای جستجو و نجات ارزشمند باشند، زیرا آن‌ها میتوانند به فضاهایی برسند و آن‌ها را کشف کنند که برای انسان‌ها بسیار کوچک هستند. یکی از مزایای اضافی استفاده از سافت رباتیک به این روش، کاهش خطر آسیب برای امدادگران است. آن‌ها میتوانند ربات‌ها را برای شناسایی مناطق خطرناک و جستجوی بازماندگان ارسال کنند، به جای اینکه خود به دنبال جستجو بروند.
در همین حال، سافت رباتیک قادر به خودتکثیری و خودترمیمی میتوانند برای تحقیقات علمی در زمینه زیست‌شناسی تکاملی، بازیابی اکوسیستم، ساخت‌وساز و مدیریت محصولات کشاورزی استفاده شوند. یک مدل ربات شبیه گیاه که توسط زیست‌شناس و مهندس باربارا مازولای توسعه داده شده است، حتی پتانسیل ترافرمی کردن مریخ را دارد. “ربات‌گیاه” مازولای به روشی مشابه ریشه‌های یک گیاه ارگانیک عمل میکند، در خاک رشد میکند و به دنبال مواد و مواد شیمیایی میگردد.
مازولای همچنین بر روی مدل دیگری از ربات با نام Growbot کار میکند که از نحوه رشد گیاهان در بالای زمین الهام گرفته شده است. او آینده‌ای را تصور میکند که در آن گیاهان رباتیک برای کشت خاک و ساخت ساختمان‌ها، شاید حتی کل شهرها، با استفاده از منابع موجود در سطح سیاره استفاده شوند.
کلام آخر
این مقاله به بررسی اعضای مصنوعی که تقریباً از اندام‌های ارگانیک غیر قابل تشخیص هستند (حتی برای کاربر)، ربات‌هایی که قادر به خودترمیمی هستند و مفهوم ترافرمی کردن سیارات دیگر از طریق گیاهان رباتیک پرداخته است. این‌ها همگی به نظر میرسد که مفاهیمی مستقیم از صفحات یک رمان علمی-تخیلی باشند، و شاید شصت یا هفتاد سال پیش، این‌چنین بودند.
اما زمان تغییر کرده است و علم تخیلی قبلی به واقعیت تبدیل شده است. این نوآوری‌ها در زمینه سافت رباتیک وجود دارند، نوآوری‌هایی که دانشمندان در حال حاضر در حال پیشرفت و توسعه آن‌ها هستند. تحولاتی که احتمالاً در آینده نزدیک خواهیم دید، شامل ساخت سافت رباتیک هوشمندتر، انعطاف‌پذیرتر و غیرقابل تشخیص از حیات بیولوژیکی خواهد بود، در حالی که آن‌ها را با اقتصادهای چرخه‌ای سازگار میسازند.
اقدامات احتمالی شامل حذف اجزای الکترونیکی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی کارآمدتر و توسعه ربات‌هایی که چرخه زندگی یک ارگانیسم بیولوژیکی را تقلید میکنند، میشود. البته این تکنولوژی و ربات ها و قابلیت هایی که دارند در اسپیکر و هدفون های جدید نیز به زودی نمایان میشود.
وقتی اکثر مردم به ماشین‌ها فکر میکنند، به فولاد سخت و اجزای سخت فکر میکنند. آن‌ها بدن‌های ارگانیک یا گیاهان را در نظر نمیگیرند. با این حال، این‌ها در نوع خود ماشین‌های کاملی هستند و طبیعی است که سافت رباتیک باید از آن‌ها تقلید کند. طبیعی است که با ادامه تکامل سافت رباتیک، به تدریج بیشتر شبیه به موجودات زنده و غیرقابل تشخیص از آن‌ها شوند.
پاسخگوی سوالات شما هستیم
دیدگاهی وجود ندارد!