تولید انبوه روبات‌هایی در ابعاد سلول
یک روش مبتکرانه برای تولید انبوه روبات‌هایی که در ابعاد یک سلول هستند وجود دارد. نام این روبات‌ها را syncellگذاشته‌اند که شکل کوتاه شده دو واژه سلول‌های مصنوعی است. آنها می‌توانند در پایش وضعیت درون لوله‌های نفت و گاز مفید باشند. همچنین کمک می‌کنند تا عوامل بیماری‌زایی که درون جریان خون شناور هستند جستجو و شناسایی شوند.
رمز ساخت این ماشین‌های روباتیک کوچک در تعداد بالا در روشی است که دانشمندان علم روباتیک برای کنترل فرایند شکست طبیعی مواد شکننده در مقیاس اتم ابداع کرده‌اند. آنها خط شکست را طوری هدایت می‌کنند که بسته‌های کوچکی در اندازه و شکل قابل پیش‌بینی ساخته شوند. درون این بسته‌ها مدارهای الکترونیکی و ماده‌ای کار گذاشته می‌شوند که قابلیت جمع‌آوری، ثبت و تولید داده را دارند. در این سیستم شکل دو بعدی کربن، یعنی گرافین به کار می‌رود که به ساختمان خارجی سلول‌های مصنوعی کوچک شکل می‌دهد. ابتدا یک لایه گرافین روی سطح بستر قرار داده می‌شود. سپس، نقاط یا خال‌های کوچکی از جنس یک ماده پلیمری که بخش الکترونیکی وسایل را در خود دارند به وسیله یک چاپگر جوهرافشان پیشرفته و مختص آزمایشگاه روی آن گذاشته می‌شوند. پس از آن خال‌های پلیمری با یک لایه دیگر گرافین پوشانده می‌شوند.
***
مورچه‌ها مغز کوچکی دارند و رفتارهای ادراکی بسیار ساده‌ای را از خود بروز می‌دهند اما در کنار یکدیگر کارهای حیرت‌انگیزی انجام می‌دهند. می‌توانند در یک گروه بزرگ به جستجوی غذا بروند و ساختارهایی شبیه به تونل بسازند که پیچیدگی زیادی دارند. فیزیکدان‌ها و مهندس‌ها در تلاش هستند تا از این قوانین سر در آورند چون با دانستن آنها می‌توانند ذرات کوچکی بسازند که قادر به انجام کارهای پیچیده هستند.
مهندس‌های «موسسه فناوری ماساچوست» (MIT)ریزذرات ساده‌ای را طراحی کرده‌اند که می‌توانند به‌طور دسته‌جمعی رفتار و عملکردی پیچیده از خود بروز دهند؛ درست مانند مورچه‌های یک کلونی که با هم به حفرتونل می‌پردازند و غذا جمع‌آوری می‌کنند. به این پدیده «رفتار برآینده در مقیاس میکرو» می‌گویند.
ریزذرات در همکاری با یکدیگر یک ساعت ضربان‌دار ایجاد می‌کنند که در فرکانس بسیار پایین نوسان دارد. این ذرات اختصاص یافته می‌توانند با هم به نوسان درآیند. با مهار این نوسان‌ها می‌توان ماشین‌های روباتیک کوچک را به کار انداخت.
این رفتار علاوه بر این‌که از دیدگاه دانش فیزیک جالب توجه است، می‌تواند تبدیل به یک سیگنال الکتریکی نوسانی شود که در استقلال دادن وسایل ریزروباتیک بسیار پرقدرت عمل می‌کند. اجزای الکتریکی بسیاری ساخته شده‌اند که برای کار کردن به چنین نیروی ورودی نوسانی نیاز دارند.
ذراتی که برای ایجاد این نوسان‌گر جدید به کار می‌روند یک واکنش شیمیایی ساده را به اجرا در می‌آورند که آنها را قادر می‌سازد با تشکیل حباب‌های گاز بسیار کوچک و ترکیدن آنها با هم تعامل برقرار کنند. وقتی همه شرایط مهیا باشد، این تعاملات نوسان‌‌گری به وجود می‌آورند که شبیه به تیک تیک ساعت رفتار کرده و در وقفه‌های چند ثانیه‌ای ضربه می‌زند.
این پژوهشگران در شاخه ریزروباتیک به دنبال قوانین یا ویژگی‌های بسیار ساده‌ای هستند که قابلیت رمزنویسی شدن برای روبات‌های مینیاتوری ساده را داشته باشند تا این ماشین‌های روباتیک کوچک بتوانند مانند اعضای یک کلونی و به شکل گروهی کارهای بسیار پیچیده را انجام دهند.
کار دسته جمعی
نمودهای رفتار برآینده ذرات در دنیای طبیعی نیز دیده می‌شود؛ برای مثال، وقتی کلونی حشرات اجتماعی مثل مورچه‌ها و زنبورها وظایفی را انجام می‌دهند که یک عضو کلونی به تنهایی هرگز نمی‌تواند آن را انجام دهد.
هدف پژوهشگران طراحی ذرات تولید‌کننده حرکات ریتمیک یا همان نوسانات فرکانس پایین بود. تا به امروز، ساخت ریزنوسان‌سازهای فرکانس پایین مستلزم کاربرد اجزای الکترونیکی پیچیده بوده است که طراحی آنها پرهزینه و دشوار است یا نیازمند مواد تخصص یافته‌ای هستند که ویژگی‌های شیمیایی غیر ساده‌ای دارند. ریزذرات ساده و هماهنگ با یکدیگر دیسک‌های کوچکی به قطر ۱۰۰ میکرون هستند که از پلیمری به نام SU-8ساخته شده‌اند و تکه‌ای از جنس پلاتین دارند که در تجزیه هیدروژن پراکسید (آب اکسیژنه) به آب و اکسیژن نقش کاتالیزور را ایفا کرده و این فرایند را تسریع می‌کند.
وقتی ریزذرات بر سطح یک قطره هیدروژن پراکسید که روی یک سطح صاف قرار دارد گذاشته می‌شوند، تمایل دارند به بالای سطح قطره بروند. آنها در این سطح تماس مایع و هوا با هر ذره دیگری که در اطرافشان باشد تعامل برقرار می‌کنند. هر ذره، حباب اکسیژن خودش را می‌سازد و وقتی دو ذره به قدر کافی به هم نزدیک می‌شوند، حباب‌هایشان در تماس با یکدیگر قرار گرفته و می‌ترکند. این انفجارهای ریز، ذرات را از هم دور می‌کنند. سپس دوباره شروع به ساختن حباب می‌کنند و این چرخه به طور مکرر ادامه می‌یابد.
یک ذرۀ تنها به خودی‌خود بی‌حرکت است و رفتار به خصوصی از خود نشان نمی‌دهد. اما هنگامی که همین ذره وارد کار دسته‌جمعی می‌شود، عملکردی فوق‌العاده و سودمند از عهده اش بر می‌آید که امکان‌پذیر شدن آن در مقیاس میکرو واقعاً مشکل است.
آنها دریافتند که دو ذره می‌توانند یک حرکت نوسان‌کننده قطعی پدید آورند، اما با اضافه شدن ذرات بیشتر ریتم حرکات از بین می‌رود. با این‌ حال، اگر یک ذره که اندکی با بقیه متفاوت است به آنها اضافه شود، این ذره نقش راهنما و سردسته آنها را ایفا می‌کند؛ بدین معنی که ذرات دیگر را دوباره سازمان‌دهی کرده و آنها را به وضعیت نوسانی ریتمیک و منظم برمی‌گرداند.
این ذره فرمانده هم‌اندازه ذرات دیگر است، اما تکه پلاتینی آن اندکی بزرگ‌تر است که سبب می‌شود حباب اکسیژن بزرگ‌تری بسازد. این ویژگی به ذره متفاوت کمک می‌کند خودش را به مرکز گروه برساند. در آنجاست که می‌تواند نوسان‌های ذرات دیگر را هماهنگ کند. پژوهشگران با این رویکرد دریافتند که می‌توانند نوسان‌گری متشکل از دست‌کم ۱۱ ذره ایجاد کنند.
این نوسان‌گر بسته به تعداد ذره‌هایش با فرکانس حدود ۱ر۰ تا ۳ر۰ هرتز ضربه می‌زند که متناسب با نظم نوسان‌گرهای فرکانس پایینی است که عملکردهای طبیعی بدن مثل راه رفتن و ضربان قلب را کنترل می‌کنند.
تولید جریان الکتریسته نوسانی
پژوهشگران با استفاده از ضربان‌های ریتمیکِ این ذرات جریان الکتریسیته نوسانی تولید کردند. برای این منظور، آنها پلاتین کاتالیزگر را برداشتند و به جای آن یک پیل سوختی که از پلاتین و روتنیم یا طلا ساخته شده‌بود قرار دادند. نوسان‌های مکانیکی ذرات به طور ریتمیک مقاومت را از یک سوی پیل سوختی به سوی دیگر آن تغییر می‌داد و این امر ولتاژ تولید‌شده توسط پیل سوختی را به یک جریان نوسانی تبدیل می‌کرد.
میکرودیسک‌های کاتالیزوردار که روی سطح مایع شناور هستند با استفاده از یک واکنش شیمیایی موجب رشد و آزادسازی متناوب حباب‌های گاز می‌شوند. با تحت کنترل درآوردن این پویایی نوسانی می‌توان تحریک مکانیکی و سیگنال‌رسانی الکتروشیمیایی را در ریزروبات ها فعال کرد.
تولید جریان متناوب به جای جریان ثابت در مواردی مثل تأمین برق مورد نیاز روبات‌های کوچکی که می‌توانند راه بروند کاربرد خوبی دارد. پژوهشگران با این رویکرد برای به‌کار انداختن یک ریزعملگر (میکرواکچویتور) استفاده کردند که پیشتر به عنوان پا روی یک روبات راه‌رونده نصب بود.

code