فناوری جدید چینی برای تولید برق از کف ربات ها

محققان دانشگاه فودان چین فناوری جدیدی ابداع کرده‌اند که با ساختن یک غشای بسیار نازک برای کف ربات‌های کوچک، امکان تولید الکتریسیته در حین حرکت بر روی سطوح فلزی و سیلیکونی را فراهم می‌کند.

گزارش کردن خدمات رباتیک یک مرحله ایاین فناوری می تواند یکی از مهم ترین چالش های توسعه میکروربات ها یعنی تامین انرژی را حل کند. محققان با استفاده از یک غشای پلیمری با ضخامت تنها 135 میکرومتر، موفق شده اند سطح زیر پای ربات را به منبع تولید برق تبدیل کنند. این روش وابستگی ربات های کوچک به باتری های سنگین را کاهش می دهد و به آنها اجازه می دهد برای مدت طولانی کار کنند.

میکروربات ها به دلیل اندازه کوچک خود می توانند در محیط هایی کار کنند که دسترسی به آن برای انسان یا ربات های بزرگ دشوار است. این ربات ها می توانند از میان آوار ساختمان های ویران شده عبور کرده و در عملیات جستجو برای بازماندگان زلزله مورد استفاده قرار گیرند. بررسی شکاف های باریک راکتورهای هسته ای و تجهیزات صنعتی نیز یکی از کاربردهای احتمالی آنهاست.

علیرغم این قابلیت ها، تامین انرژی همچنان یک مانع بزرگ برای توسعه میکرو ربات های مستقل است. باتری های تجاری معمولی سنگین و حجیم هستند و استفاده از آنها در ربات های بسیار کوچک دشوار است. به عنوان مثال، یک ربات 1.7 گرمی می تواند تنها حدود دو دقیقه با یک باتری معمولی کار کند. افزایش زمان کارکرد این ربات مستلزم استفاده از باتری است که حدود 94 درصد وزن کل دستگاه را تشکیل می دهد.

محققان دانشگاه فودان روش متفاوتی را برای حل این مشکل انتخاب کرده اند. آنها به جای افزایش ظرفیت باتری، تولید مستقیم انرژی از سطحی که ربات روی آن حرکت می کند، ممکن کرده اند.

بیشتر بخوانید: این ربات شناگر با نور + فیلم هدایت می شود

تولید برق از طریق تماس پای ربات ها با سطوح فلزی

این فناوری جدید از یک غشای الکتروشیمیایی نرم استفاده می کند که مستقیماً به کف پای ربات متصل می شود. در تماس با سطوح سازگار مانند آلومینیوم، روی یا سیلیکون، این غشا یک واکنش شیمیایی ایجاد می کند و انرژی الکتریکی تولید می کند.

ضخامت غشای پلیمری تنها 135 میکرومتر، معادل 0.0053 اینچ است. این مقدار تقریباً برابر با قطر موی انسان است. محققان این لایه ژل را از طریق یک فرآیند شیمیایی مستقیماً روی سطح پای ربات ایجاد کرده اند.

هنگامی که پای ربات با سطح فلز تماس پیدا می کند، مجموعه غشاء و سطح زیر آن مانند یک باتری در هوای آزاد عمل می کند. در این فرآیند، فلز الکترون آزاد می کند و غشای پلیمری از اکسیژن و رطوبت موجود در هوا برای تکمیل واکنش الکتروشیمیایی استفاده می کند.

جریان الکتریکی بلافاصله پس از تماس پا با سطح برقرار می شود و با جدا شدن پا قطع می شود. به این ترتیب هر مرحله از ربات فرصتی برای تولید انرژی الکتریکی فراهم می کند.

این ویژگی تفاوت مهمی با سیستم های تامین انرژی معمولی برای روبات ها دارد. در روش های رایج، ربات باید انرژی مورد نیاز خود را از قبل در باتری ذخیره کند. فناوری جدید امکان تولید مستقیم برق را در حین حرکت فراهم می کند و نیاز به ذخیره مقادیر زیادی انرژی را کاهش می دهد.

محققان معتقدند این روش می تواند راه حل مناسبی برای روبات هایی باشد که به دلیل محدودیت وزن و اندازه قادر به حمل باتری های بزرگ نیستند.

بیشتر بخوانید: سنگاپور ربات های انسان نما را به ماموریت های پرخطر می فرستد

یک میلیون پله با استفاده از تنها دو گرم آلومینیوم

برای بررسی عملکرد فناوری جدید، محققان یک ربات خزنده با استفاده از چاپ سه بعدی ساختند. طول و عرض این ربات به ترتیب 6.7 و 5.7 سانتی متر بود.

این ربات در آزمایشات آزمایشگاهی توانست به مدت 150 روز به صورت متناوب حرکت کند و بیش از 10000 قدم بردارد. محققان هیچ افت ولتاژی را در طول این آزمایش مشاهده نکردند و عملکرد سیستم تولید انرژی ثابت ماند.

آزمایش های بعدی نتایج قابل توجه تری به همراه داشت. این ربات موفق شد از مرز یک میلیون پله عبور کند و برای این میزان حرکت تنها حدود دو گرم آلومینیوم مصرف کرد.

این نتیجه نشان می دهد که فناوری جدید می تواند انرژی مورد نیاز برای حرکت طولانی مدت ربات را با مصرف مقدار کمی از مواد فلزی تامین کند.

غشای ژل علاوه بر تولید برق، خاصیت چسبندگی نیز دارد. این ویژگی به ربات کمک کرد تا از صفحات فلزی شیبدار بالا برود و حرکت خود را روی سطوح ناهموار ادامه دهد.

محققان همچنین مقاومت حرارتی غشا را بررسی کردند. نتایج نشان داد که این لایه می تواند عملکرد خود را در دمای منفی 20 تا مثبت 80 درجه سانتیگراد حفظ کند.

در آزمایش دیگری، الکتریسیته تولید شده از طریق غشای الکتروشیمیایی برای تامین انرژی یک نور LED و فرستنده بلوتوث نصب شده روی ربات استفاده شد.

این آزمایش نشان داد که فناوری جدید علاوه بر تامین انرژی برای حرکت، قابلیت روشن نگه داشتن تجهیزات الکترونیکی کوچک را نیز دارد. چنین قابلیتی برای ربات های اکتشافی بسیار مهم است، زیرا این دستگاه ها نیاز به جمع آوری اطلاعات محیطی و ارسال آن به سیستم های دیگر دارند.

علیرغم موفقیت آمیز بودن آزمایش ها، فناوری جدید همچنان محدودیت هایی دارد. مهم ترین مشکل، وابستگی به نوع سطحی است که ربات روی آن حرکت می کند.

غشای الکتروشیمیایی نمی تواند انرژی را از سطوح غیر فعال شیمیایی مانند پلاستیک، شیشه، خاک یا بافت های آلی استخراج کند. بنابراین، زمانی که ربات از این سطوح عبور می کند، با قطع برق مواجه می شود.

برای کاهش این مشکل، محققان یک ابرخازن کوچک به ربات اضافه کرده اند. این قطعه انرژی را برای مدت کوتاهی ذخیره می کند و برق مورد نیاز ربات را هنگام عبور از سطوح نامناسب تامین می کند.

محدودیت دیگر مربوط به دوام الکترولیت داخلی است. تماس مداوم با دی اکسید کربن هوا و فرآیند خوردگی به تدریج مواد داخلی غشا را از بین می برد. در حال حاضر، محققان باید به صورت دستی هیدروکسید پتاسیم را دوباره به سیستم اضافه کنند.

بیشتر بخوانید: اولین ربات انسان نمای متن باز fullstack معرفی شد

آینده ربات های کوچک با پوست مصنوعی مولد انرژی

دستاورد دانشگاه فودان با تولید برق از کف ربات ها بخشی از تلاش گسترده محققان برای توسعه پوست های مصنوعی چند منظوره در صنعت رباتیک است.

در سال‌های اخیر، گروه‌های تحقیقاتی مختلف تلاش کرده‌اند تا پوشش خارجی روبات‌ها را به بخشی فعال از سیستم عملکرد خود تبدیل کنند. این پوشش ها می توانند قابلیت هایی مانند تشخیص تماس، تشخیص دما و ترمیم آسیب های فیزیکی را داشته باشند.

محققان دانشگاه استنفورد یک پوست مصنوعی چند لایه ابداع کرده اند که می تواند پس از برش خود را ترمیم کند. محققان دانشگاه کمبریج و دانشگاه کالج لندن نیز هیدروژل های انعطاف پذیری را ساخته اند که توانایی تشخیص درد را دارند.

در زمینه ربات های انسان نما، Generative Bionics ربات Gene.01 را معرفی کرده است. پوسته هوشمند این ربات امکان تشخیص تماس و نزدیکی منابع گرما را فراهم می کند و به افزایش ایمنی تعامل آن با انسان کمک می کند.

محققان دانشگاه توکیو همچنین موفق به رشد پوست زنده انسان بر روی انگشتان روباتیک شده اند. این پوست می تواند به طور طبیعی تا شود و با کمک کلاژن آسیب های خود را ترمیم کند.

فناوری دانشگاه فودان کاربرد متفاوتی برای پوست مصنوعی ارائه می دهد. در این روش پوشش ربات علاوه بر ایفای نقش ساختاری به منبع تولید انرژی تبدیل می شود.

با این حال، استفاده گسترده از این فناوری به حل مشکلات موجود بستگی دارد. محققان باید راهی برای تامین خودکار الکترولیت و کاهش محدودیت تولید برق در سطوح غیرفعال بیابند.

اگر این چالش ها حل شوند، ربات های کوچک می توانند در محیط های صنعتی بدون نیاز به باتری های سنگین یا اتصال دائمی به منبع برق کار کنند.

این روبات ها ممکن است در آینده وارد کانال های تهویه، پست های برق و راکتورهای هسته ای شوند و اطلاعات مهمی در مورد وضعیت تجهیزات جمع آوری کنند.

نتایج این تحقیق در مجله علمی National Science Review منتشر شده است.