Microbotics هي مجال الروبوتات المصغرة ، ولا سيما الروبوتات المتنقلة ذات الأبعاد المميزة أقل من 1 ملم. يمكن استخدام المصطلح أيضًا للروبوتات القادرة على التعامل مع مكونات حجم الميكرومتر.
التاريخ
ولدت Microbots بفضل ظهور الميكروكونترولر في العقد الأخير من القرن العشرين ، وظهور أنظمة ميكانيكية مصغرة على السيليكون (MEMS) ، على الرغم من أن العديد من الميكروبات لا تستخدم السيليكون للمكونات الميكانيكية بخلاف أجهزة الاستشعار. أجري البحث المبكر والتصميم المفاهيمي لمثل هذه الروبوتات الصغيرة في أوائل السبعينيات في أبحاث (ثم) سرية لوكالات الاستخبارات الأمريكية. وشملت الطلبات المتوخاة في ذلك الوقت مساعدة إنقاذ أسرى الحرب وبعثات اعتراض إلكترونية. لم يتم تطوير تقنيات الدعم المصغرة الكامنة في ذلك الوقت بشكل كامل ، بحيث لم يكن التقدم في تطوير النموذج الأولي على الفور قادمًا من هذه المجموعة المبكرة من الحسابات وتصميم المفهوم. اعتبارًا من عام 2008 ، استخدمت أصغر microrobots مشغل محرك أقراص سكراتش.
لقد أدى تطوير الاتصالات اللاسلكية ، وخاصة شبكة Wi-Fi (أي في الشبكات الرقمية) إلى زيادة كبيرة في قدرة الاتصالات للمكروبات الصغيرة ، وبالتالي قدرتها على التنسيق مع الميكروبات الأخرى للقيام بمهام أكثر تعقيدًا. في الواقع ، ركزت أبحاث حديثة كثيرة على الاتصالات الميكروبية ، بما في ذلك 1،024 سرب الروبوت في جامعة هارفارد التي تجمع نفسها في أشكال مختلفة. وتصنيع الميكروبات في SRI International لبرنامج “MicroFactory for Macro Products” التابع لداربا والذي يمكنه بناء هياكل خفيفة الوزن وذات قوة عالية.
متطلبات التصميم
في حين أن البادئة “الصغرى” قد استُخدمت بشكل ذاتي لتعني صغيرة ، فإن المقاييس المقيسة على طول الأطوال تتجنب الارتباك. وبالتالي ، سيكون لألبان النانو أبعاد مميزة عند أو أقل من 1 ميكرومتر ، أو التعامل مع المكونات في نطاق حجم 1 إلى 1000 نانومتر. سيكون لدى microrobot أبعاد مميزة أقل من 1 مليمتر ، ويكون للملليروت أبعاد أقل من سم ، ويكون للبكرة الصغيرة أبعاد أقل من 10 سم (4 بوصات) ، ويكون لدى الروبوت الصغير أبعاد أقل من 100 سم (39 بوصة). .
نظرا لصغر حجمها ، من المحتمل أن تكون الميكروبات الصغيرة رخيصة جدا ، ويمكن استخدامها بأعداد كبيرة (robot robotics) لاستكشاف البيئات الصغيرة جدا أو الخطيرة جدا بالنسبة للناس أو الروبوتات الأكبر. من المتوقع أن تكون الميكروبات مفيدة في تطبيقات مثل البحث عن الناجين في المباني المنهارة بعد حدوث زلزال ، أو الزحف عبر الجهاز الهضمي. إن ما تفتقر إليه الميكروبات في القوة العضلية أو القوة الحسابية ، يمكن أن يعوض عنهم باستخدام أعداد كبيرة ، كما هو الحال في أسراب الميكروبات.
الطريقة التي يتحرك بها الميكروفوتس هي وظيفة هدفها والحجم الضروري. في أحجام submicron ، العالم المادي يتطلب طرق غريبة للغاية للالتفاف. رقم رينولدز للروبوتات المحمولة جوا هو قريب من الوحدة. تهيمن القوى اللزجة على قوى القصور الذاتي ، لذلك يمكن أن تستخدم “الطيران” لزوجة الهواء ، بدلاً من مبدأ رفع برنولي. قد تتطلب الروبوتات التي تتنقل عبر السوائل حركات دوارة مثل الشكل المتحرك للإشريكية القولونية. القفز هو التخفي وكفاءة الطاقة. يسمح للروبوت بالتفاوض على أسطح مجموعة متنوعة من التضاريس. فحصت الحسابات الرائدة (Solem 1994) السلوكيات المحتملة على أساس الواقع المادي.
أحد التحديات الرئيسية في تطوير microrobot هو تحقيق الحركة باستخدام مصدر طاقة محدود للغاية. يمكن أن تستخدم microrobots مصدر بطارية خفيف الوزن مثل خلية عملة أو يمكن أن تكبح الطاقة من البيئة المحيطة في شكل اهتزاز أو طاقة خفيفة. كما تستخدم الميكروباتوبوتات حاليًا محركات بيولوجية كمصادر طاقة ، مثل سيراتسيا مارسيسينس Serratia marcescens ، بهدف سحب الطاقة الكيميائية من السائل المحيط لتشغيل الجهاز الروبوتي. يمكن التحكم بشكل مباشر في هذه المستحاثات الحيوية بواسطة المنبهات مثل الانجذاب الكيميائي أو الجلفانوتيفيس مع العديد من أنظمة التحكم المتاحة. من البدائل الشائعة للبطارية الموجودة على متن المركبة هو تشغيل الروبوتات باستخدام الطاقة المستحثة خارجياً. وتشمل الأمثلة استخدام الحقول الكهرومغناطيسية والموجات فوق الصوتية والضوء لتنشيط الروبوتات الصغيرة والتحكم فيها.
الحجم والتعريف
تم استخدام البادئة “micro” كثيرًا لتحديد الروبوتات الصغيرة بشكل شخصي ، ولكن الأحجام المتغيرة جدًا. مشروع لتوحيد الأسماء المقابلة لمقاييس الحجم يتجنب الارتباك. وبالتالي:
يحتوي nanorobot على أبعاد تساوي أو تقل عن 1 ميكرومتر ، أو يسمح بمعالجة المكونات في نطاق يتراوح من 1 إلى 1000 نانومتر.
سيكون لدى الروبوت الصغير أبعاد مميزة أقل من 1 مليمتر ،
يكون للملليمترية أبعاد أقل من سنتيمتر واحد (تقاس بالميليمترات) ،
سيكون للبكرة الصغيرة أبعاد أقل من 10 سم ،
سيكون لدى الروبوت الصغير أبعاد أقل من 100 سم.
شروط محددة لتطوير microrobotics
ينطوي تطوير الميكروبات الصغيرة على فهم أفضل ومراقبة لظواهر فيزيائية معينة عند اللعب على هذه المقاييس ، وذلك لأن الروبوت الصغير يخضع لقوى ذات أهمية كبيرة في المقاييس الميكروية ، وهذا لا يزعزع كائنًا ذا حجم أكبر.
قوة فان دير فالس ،
كهرباء ساكنة،
التوتر السطحي،
تنفس الهواء
آثار أكثر قسوة ووحشية من الحرارة الشمسية أو البرد ، والتكثيف ، وما إلى ذلك).
تشمل Microrobotics دراسة عمليات التصنيع (الأنظمة الدقيقة أو حتى أنظمة النانو ، بما في ذلك الأجهزة الدقيقة أو النانوية) اللازمة للعناصر صغيرة الحجم.
The Biomimicry هو أحد التخصصات التي تلهم ميكروبيوباتك ،
مايكرو الميكانيكا
يجب أن تسمح للروبوت بالتحرك والتفاعل مع بيئته ، على سبيل المثال:
من haptics التي تسمح للروبوت بالالتصاق بروبوت ، وربما لفهم الأشياء ، لتجميع microrobot آخر ، أو ترتكز على ركيزة ؛
من المحركات الصغيرة التي تمكن العناصر المتنقلة من التحرك على درجة واحدة أو أكثر من الحرية ؛
يتم البحث عن الجيروسكوبات الدقيقة أو الأجهزة البديلة التي تؤدي وظائف مماثلة ؛
وسائل مبتكرة للسفر. على سبيل المثال ، كما تفعل gerris ، يمكن أن تتحرك الميكروبات بالفعل على الماء مع الاستفادة من التوتر السطحي لهذا “الركيزة” السائل. نحن نحاول أيضا محاكاة مصاصي ابن حزم ابن حزم ابن حزم ، وذلك للسماح لروبوت من عدة غرامات أو عشرات من غرام للسير على السقف أو على أي دعم (برنامج Geckohair Nanolab من جامعة كارنيغي ميلون). يعمل الطلاب على أنظمة الالتصاق التي تتكيف مع درجات متفاوتة من المنحدرات ، مما يسمح بالمشي المعلق (في السقف ، أسفل الصفائح …).
المحاكاة البيولوجية
مصدر إلهام لعلم الإنسان الآلي هو الطبيعة نفسها التي اختبرت العديد من الآليات والسلوكيات ، وبعض الروبوتات المهتمة. يمكن لمحاكاة عمل الشبكات العصبية والمراكز العصبية والمولدات المركزية للحبل الشوكي للحيوانات البدائية أن تقلد بالفعل آليات معينة مثل المشي والسباحة والجري والزحف. يتم استبدال المجموعات العضلية بواسطة محركات مؤازرة ، ولكن يتم تحريكها عن طريق إعادة إنتاج الحركات وإيقاع المشي أو السباحة أو الزحف أو الجري وفقاً للنبضات الموزعة على دوائر الكمبيوتر الصغيرة التي تحاكي الشبكة العصبية.
التقليد يذهب في بعض الأحيان إلى أبعد من ذلك. فمثلا:
يعمل Nanolab على تحديد وإعادة إنتاج بعض الجزيئات الغروية شديدة الالتصاق التي يتم توليفها من قبل الحيوانات (القواقع ، والرخويات ، وبعض Coleoptera يمكن أن تلتصق بقوة بشكل مؤقت ولكن بشكل مؤقت بفضل هذه الجزيئات). يقوم بتطوير جهاز يتكيف مع قياس أداء هذا النوع من المواد اللاصقة.
أنتجت nanolab روبوت صغير على شكل دبابة مع اليرقات لاصقة التي يمكن أن تتسلق على الجدران بالتمسك بها ؛
طور نانولاب أيضاً الألياف الدقيقة اللاصقة مما يسمح بالالتصاق القوي جداً على مستوى غير أفقي ، لكن الأداء الذي لا يزال بعيداً عن القدرة على التكاثر هو قدرة الأنظمة الحية على الشفاء والتغذية والتكاثر ، والقدرات التي تطرح أيضاً أسئلة أخلاقية جديدة. تتجاوز المجال المعتاد لأخلاقيات علم الأحياء.
يتطور الروبوت المستوحى من السمندل بسهولة من بيئة مائية إلى أرضية ؛ قد يستمر الدجاجة في الجري المنعكس مع قطع رأسه ، مما يدل على أن العمود الفقري والنخاع الشوكي يحتويان على مراكز المحركات الأساسية.
الروبوتات (السمندل أو الثعبان) تحاكي الزحف 8 على هذا المبدأ ، طور جوزيف أيرز (جامعة نورث إيسترن في بوسطن) أيضًا روبوتات تحاكي تحركات اللامبري وسرطان البحر.
المخاطر والقيود
أحد أخطار المحاكاة الحيوية هو أن الروبوتات تشبه إلى حد كبير الحيوانات التي يتم الخلط بينها وبين نماذجها ومطاردة الحيوانات المفترسة الحقيقية.
الالكترونيات الدقيقة
يسمح المعالج الدقيق بتنفيذ برامج الكمبيوتر التي تعطي استقلالية للروبوت. هناك حاجة إلى المعالجات الدقيقة منخفضة الطاقة للغاية للمكروبات الصغيرة ، لأنهم يجب أن يظلوا في الضوء ولا يستطيعون تحمل مصدر طاقة كبير معهم.
الميكانيكا الحيوية
تمكن الباحثون من تحريك روبوت ، أو بشكل أكثر دقة لتفاعل الروبوت مع العقبات أو الضوء من خلال ثقافات الخلايا العصبية للفئران.
مستشعرات دقيقة أو نانو
يجب أن تسمح للروبوت بوضع نفسه (أو تحديد موقعه) في بيئته ؛
وهي ، على سبيل المثال ، خلايا متفاعلة الضوء ، وأجهزة استشعار درجة الحرارة ، وأجهزة استشعار الضغط ، وأجهزة استشعار الأمواج ، والهوائيات اللاسلكية ، وما إلى ذلك. حتى كاميرا صغيرة.
الاستخدامات الممكنة
ومن المأمول أن يتمكنوا من أداء المهام التي تكون خطرة أو مؤلمة أو متكررة أو مستحيلة على البشر (في المساحات الصغيرة ، في الفراغ) ، أو المهام التي هي أبسط ولكنها تؤديها بشكل أفضل مما قد يفعله الإنسان.
يتصور المستقبليون أنه يمكن استخدامها
روبوت صناعي وفني (قادر على سبيل المثال على بناء أجزاء أو آليات صغيرة جداً ، لتشخيص أو إصلاح الماكينة من الداخل دون تفكيكها ، لفحص الأنابيب من الداخل ، إلخ. يتخيل المرء أنهم قادرون على العمل في فراغ أو في غياب الهواء ، وما إلى ذلك)
مكنسة كهربائية روبوتية أو منزلية أصغر حجماً وأكثر رصانة من تلك الموجودة حالياً
الروبوت الروبوت لعوب (تدريس الروبوتات إلى برنامج … في الوقت الحاضر ، فهي موجودة فقط في شكل ألعاب مع صورة الروبوتات ، ولكنها ليست نفسها) أو الروبوتات التربوية نوع BEAM (اختصار “علم الأحياء الجمالية والميكانيكية الإلكترونية”) هي الروبوتات التي ليست ذكية جدا ، دون وجود متحكم أو برنامج مدمج من أي نوع ؛ يمكن أن يكون الربيع أو المرونة البسيطة مصدرًا للطاقة الميكانيكية للمشاريع التجريبية الصغيرة.
روبوت طبي أو مساعدة طبية. ربما يمكن للروبوت الصغير أن يعمل يومًا ما في كائن حي.
إرسال المسابير الجزئية المكانية أو الروبوتات الصغيرة إلى الفضاء لحفظ الحجم المشغول والحمل السريع في استكشاف الفضاء
الحكم الذاتي
لكي تكون مستقلاً ، يجب أن يكون الروبوت الصغير:
أجهزة استشعار فعالة بما فيه الكفاية (ميكرو أو nanosensors)
استقلالية الطاقة التي تتطلب بطاريات فعالة ذات كفاءة ، استهلاك منخفض للطاقة أو القدرة على إيجاد واستغلال مصدر خارجي للطاقة (الطاقة الشمسية ، حزمة الموجات الميكروية ، مصدر الهيدروجين الذي يوفر لخلية وقود الهيدروجين ، القدرة على محاكاة الطاقة الحيوية لاستخراج الطاقة من المادة العضوية ..). تتمثل إحدى طرق توفير الطاقة في التأكد من أن الوظائف المختلفة لشبكة microrobot لا يتم تنشيطها إلا عند الضرورة ، وعلى النحو الأمثل. بقية الوقت يتم وضعها في وضع الاستعداد ، والتي لا يمنعها من التحرك بطريقة سلبية (تحملها الريح ، التيار ، سيارة ..)
نظام ذكاء مضمن (فردي أو جماعي في حالة الروبوتات ذات الوظائف التكميلية التي تعمل في الحفلة الموسيقية ، بطريقة النمل من تلة النمل) و / أو التواصل الذي يسمح بالتفاعلات أو التحكم عن بعد.
يجب أن يكون البرنامج التعليمي متطورًا بما يكفي للرد على حدوث أحداث بسيطة وتغيرات في البيئة (محفزات) والاستجابة لها (فرديًا أو جماعيًا ، كما يحدث على سبيل المثال بواسطة النمل في عش النمل) من خلال ردود الفعل المناسبة.
الميكروبات في الأدب والسينما
يستعمل مؤلفون مختلفون من الخيال العلمي والسينما في رواياتهم وأخبارهم وأفلامهم الصغيرة أو حتى النانوبوتية ، على سبيل المثال في شكل طائرات بدون طيار.