طراحی مغزهای مایع برای ربات‌های نرم

به گزارش گروه دانش و فناوری اقتصاد ۱۰۰ و به نقل ازایسنا، با افزایش تقاضا برای سیستم‌های رباتیک، علاقه به ربات‌های نرم نیز افزایش یافته است. مزیت این ماشین‌های نرم، افزایش توانایی ظریف لمس کردن، جا گرفتن در فضاهای محدود و قابلیت کار کردن به صورت ایمن در اطراف انسان‌های آسیب‌دیده است.

با وجود این، ربات‌های نرم هنوز دارای عناصر سفت و سختی هستند که مانع از کاربرد آنها می‌شوند زیرا این ماشین‌ها همچنان به واحدهای کنترل حاوی دریچه‌های الکترومکانیکی بزرگ وابسته هستند. این موضوع می‌تواند مقیاس‌پذیری ربات‌های نرم را محدود کند و تحرک آنها را کاهش دهد. این امر به ویژه در مورد ربات‌های نرم که برای پرسه زدن آزادانه طراحی شده‌اند، دشوار است.

این محدودیت باعث شده است تا پژوهشگران، کنترل‌کننده‌های رایانه‌ای و میکروکنترل‌کننده‌های مایع را برای جایگزینی سیستم‌های سفت و سخت در نظر بگیرند.

پژوهش جدیدی که در "دانشگاه هاروارد"(Harvard University) انجام شده است، یک تقویت‌کننده الکترونیکی نرم و مایع را پیشنهاد می‌کند و طراحی، ساخت و تجزیه و تحلیل آن را ارائه می‌دهد؛ به این امید که این تقویت‌کننده الکترونیکی بتواند گامی به سوی ابداع ربات‌های نرم کاملا مستقل با حداقل اجزای سفت باشد. در قلب این طرح، ریزسیالات و رایانه‌هایی قرار دارند که سیگنال‌های الکتریکی انتقال‌یافته را با سیگنال‌های حمل‌شده توسط مایعات تعویض می‌کنند.

"الیزابت گالاردو هویا"(Elizabeth Gallardo Hevia)، پژوهشگر دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه هاروارد و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: به طور سنتی، ما رایانه‌ها را اشیایی می‌پنداریم که سیگنال‌های الکتریکی را پردازش می‌کنند اما در این پژوهش، از مایعاتی مانند آب برای تامین انرژی رایانه استفاده کرده‌ایم. ما به جای سیم‌های رسانا، از کانال‌های لاستیکی توخالی برای جریان یافتن مایع استفاده کردیم. شبکه‌ای از کانال‌های دارای الگوی استراتژیک می‌تواند به دستگاهی منتهی شود که عملیاتی مشابه آنچه در یک رایانه الکتریکی صورت می‌گیرد، انجام می‌دهد.

هویا ادامه داد: این کار به دانشمندان و مهندسان امکان می‌دهد تا از مواد نرمی استفاده کنند که با مایعات کار می‌کنند و قدرت محاسباتی را در کاربردهایی به وجود آورند که در آنها، به کار بردن مایعات سودمندتر از به کار بردن مواد سفت متکی به برق است.

یک گام مهم وجود دارد که باید برای تحقق یافتن این امکان برداشته شود. برای این که یک ربات نرم حرکت کند، سیگنال‌های مبتنی بر مایع باید تقویت شوند.

تحت فشار گذاشتن ربات‌های نرم

برای این که مدارهای میکروسیال گزینه مناسبی برای کنترل ربات نرم باشند، سیگنال‌های کنترل‌کننده باید تقویت شوند تا دستگاه بتواند کار سودمندی را انجام دهد.

هویا گفت: یک تقویت‌کننده، سیگنالی را تقویت می‌کند که در مورد پژوهش ما جریانی از هوا یا آب است. جریان دارای سرعتی است که مایع در آن جریان می‌یابد و بسته به مقدار مایعی که در یک زمان معین سعی دارد از یک کانال عبور کند، فشار وارد می‌شود. ما دوست داریم سیگنال‌ها را کوچک نگه داریم تا از سرعت اطمینان حاصل کنیم. مایع در حال حرکت در سراسر شبکه بزرگ کانال‌ها، مشابه پردازش سیگنال در مهندسی برق است.

این سرعت‌ها و فشارهای کوچک، برای حرکت کردن یک ربات نرم کافی نیست. ربات به جریان‌های پرفشار نیاز دارد تا بتواند متحرک باشد و جریان‌های پرسرعت را نیز برای اطمینان از حرکت کردن با سرعت معقول نیاز دارد. هویا ادامه داد: به عنوان مثال، یک ربات نرم که راه می‌رود و پاهای استوانه‌ای بادی دارد، به مقدار زیادی مایع برای پر کردن پاها نیازمند است اما باید سریع پر شود تا بتواند راه برود یا بدود. به همین دلیل است که ما برای افزایش سرعت و فشار سیگنال کوچک بین رایانه پردازش‌کننده سیگنال و پاهای ربات، به یک تقویت‌کننده نیاز داریم.

تقویت‌کننده سیال این گروه پژوهشی، افزایش فشار را تسهیل می‌کند و ورودی‌های جریان و فشار را به محدوده‌ای می‌رساند که برای عملکرد محرک‌های متداول سیال در ربات‌های نرم مناسب است.

هویا گفت: ما هنوز یک رایانه کاملا سیال را در ارتباط با یک ربات نرم ندیده‌ایم زیرا حوزه میکروسیالات بیشتر بر تجزیه اجزای یک رایانه متمرکز شده است.

یک "بایمکس" در زندگی واقعی

کاربردهای آینده رایانه‌های سیال و رباتیک نرم، همراه با این واقعیت که میکروسیال در حال تغییر دادن تصویر رایج رایانه به عنوان یک فناوری متشکل از سیم‌های مسی و تراشه‌های سیلیکونی، برای هویا هیجان‌انگیز است.

وی افزود: در حال حاضر به لطف دستگاه‌های ساخته‌شده از مواد نرم، بسیاری از برنامه‌های کاربردی ممکن شده‌اند یا روش کار کردن آنها بهبود یافته است. به عنوان مثال، ما اکنون رویای ربات های خانگی را در سر داریم که می‌توانند تعامل نزدیکی با انسان داشته باشند.

همچنین، هویا کاربرد ربات‌های نرم را در زیست‌شناسی دریایی خاطرنشان کرد. زیست‌شناسی دریایی، حوزه‌ای است که شاید آنها بتوانند نمونه‌ها را از اقیانوس بازیابی کنند یا دستگاه‌های مخصوص ضبط کردن را بدون آسیب رساندن به نهنگ‌ها روی آنها قرار دهند. در پزشکی، می‌توان از ربات‌های نرم برای توانبخشی که از طریق دستگاه‌های هوشمند نرم و پوشیدنی به بسیاری از بیماران ارائه می‌شود، استفاده کرد. با وجود این، بهترین‌ اهداف ممکن است هنوز در راه باشند.

هویا خاطرنشان کرد که برای پیشرفت‌های بیشتر، به درک بهتر قابلیت‌ها و محدودیت‌های رایانه‌های سیال در ساخت دستگاه‌های عمومی‌تر نیاز است که می‌توان آنها را به راحتی برای برنامه خاصی که در آن استفاده می‌شوند، تنظیم کرد.

در همین راستا، هویا و گروهش در حال حاضر روی ادغام عناصر حسگر در رایانه سیال کار می‌کنند تا بتواند به ورودی‌ها پاسخ دهد. آنها می‌خواهند که اگر قرار است یک ربات نرم در را باز کند، وقتی در را احساس کرد، دستگیره را بچرخاند.

هویا با تاکید بر نیاز به بلوغ این فناوری و تکمیل طراحی آن گفت: پژوهشگران باید نحوه ادغام صحیح این فناوری در دستگاه‌های نرم را بیابند تا اطمینان حاصل شود که دستگاه‌ها در مناطق مناسبی قرار می‌گیرند.

وی افزود: من می‌بینم که این فناوری در ربات‌های مخصوص سرگرمی، دستگاه‌های پوشیدنی که عملکرد ورزشکاران را ردیابی می‌کنند و ربات‌های خانگی که برای زندگی کردن با انسان طراحی می‌شوند، ادغام شده است. به عنوان مثال، برای یک "بایمکس"(Baymax) نرم بادی، رایانه نرم باید جایی در داخل ربات باشد. در مورد پوشیدنی‌ها، ما می‌خواهیم که سطح دستگاه بدون ایجاد حجم اضافی پوشش داده شود و برای ربات‌های به کار گرفته‌شده در خانه، کابل‌هایی را لازم نداشته باشیم که به ربات منتهی شود و به وسایل خانه بپیچد. در عوض، رایانه نرم باید با سایر مواد نرم سازنده ربات یکپارچه‌سازی شود.

این پژوهش، در مجله "Advanced Intelligent Systems" به چاپ رسید.