اوریگامی گرافن اکسید؛ افقی نو به‌سوی نسل آینده ربات‌های نرم

به گزارش مجله خبری نگار،از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، پژوهشگران دانشگاه مک‌گیل (McGill University) کانادا در دو مطالعه مستقل، از توسعه نسل جدیدی از مواد فوق‌نازک مبتنی بر فیلم‌های گرافن اکسید خبر داده‌اند؛ موادی که قادرند حرکت کنند، تا بخورند، باز شوند و شکل خود را به‌صورت هوشمند تغییر دهند.

این دستاورد، افق‌های تازه‌ای را پیش روی حوزه ربات‌های نرم و ادوات تطبیق‌پذیر قرار داده است؛ حوزه‌ای که به‌دنبال ساخت ماشین‌هایی انعطاف‌پذیر، ایمن و سازگار با محیط‌های حساس انسانی است. این مواد به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که رفتاری شبیه «اوریگامی زنده» از خود نشان دهند؛ به این معنا که ورقه‌های تخت آنها می‌توانند به ساختار‌هایی تبدیل شوند که راه می‌روند، می‌چرخند، واژگون می‌شوند و حتی حرکت خود را حس می‌کنند. هدف اصلی این پژوهش‌ها، غلبه بر محدودیت‌های دیرینه‌ای بوده است که تاکنون مانع استفاده عملی از عملگر‌های مبتنی بر گرافن اکسید شده‌اند؛ محدودیت‌هایی مانند شکنندگی، دشواری تولید انبوه و پیچیدگی در ایجاد حرکات برنامه‌پذیر و چندمرحله‌ای.

برای رفع این چالش‌ها، تیم تحقیقاتی موفق شده است فیلم‌هایی از گرافن اکسید بسازد که در عین استحکام، انعطاف‌پذیری بالایی دارند. این ورقه‌های کاغذمانند را می‌توان به شکل‌های الهام‌گرفته از اوریگامی تا کرد، بی‌آنکه ترک بردارند یا دچار شکست ساختاری شوند. در عین حال، پایداری مکانیکی آنها حفظ می‌شود؛ ویژگی که این مواد را به گزینه‌ای مناسب برای ربات‌های نرم تبدیل می‌کند، ربات‌هایی که باید در نزدیکی انسان و بدون استفاده از اجزای سخت یا موتور‌های سنگین فعالیت کنند.

پژوهشگران نشان داده‌اند که این ساختار‌های اوریگامی‌شده از گرافن اکسید را می‌توان به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی کرد که به محرک‌های ساده محیطی واکنش نشان دهند و حرکت کنترل‌شده ایجاد کنند؛ آن هم بدون نیاز به سیم‌کشی، باتری یا سخت‌افزار‌های حجیم. این ویژگی، گامی مهم در جهت ساده‌سازی طراحی ربات‌های نرم و افزایش قابلیت اطمینان آنها در محیط‌های واقعی محسوب می‌شود.

در یکی از این مطالعات، ساختار‌های اوریگامی مستقیماً به رطوبت پاسخ می‌دهند. زمانی که در معرض بخار آب یا رطوبت قرار می‌گیرند، بخش‌های تاخورده باز می‌شوند و با خشک شدن محیط، دوباره به حالت اولیه بازمی‌گردند. این حرکت رفت‌وبرگشتی و برگشت‌پذیر باعث می‌شود ماده بتواند به‌عنوان یک عملگر عمل کند؛ عملگری که انرژی خود را نه از منبع خارجی، بلکه مستقیماً از شرایط محیطی دریافت می‌کند.

در مطالعه دوم، پژوهشگران ذرات مغناطیسی بسیار ریزی را درون ساختار‌های مشابه از گرافن اکسید جای‌گذاری کرده‌اند. این کار امکان کنترل از راه دور این مواد را با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی فراهم می‌کند. در نتیجه، می‌توان حرکت و جهت‌گیری ساختار‌های اوریگامی را بدون هیچ اتصال فیزیکی هدایت کرد؛ رویکردی که دامنه کاربرد این مواد را به محیط‌هایی گسترش می‌دهد که دسترسی مستقیم یا سیم‌کشی در آنها ممکن نیست.

این دو شیوه کنترل نشان می‌دهند که یک ماده پایه واحد چگونه می‌تواند برای کاربرد‌های متنوع تطبیق داده شود؛ از ابزار‌های پزشکی که باید در فضا‌های داخلی ظریف بدن حرکت کنند، تا بسته‌بندی‌های هوشمندی که به تغییرات رطوبت یا دما واکنش نشان می‌دهند. افزون بر قابلیت حرکت، لایه‌های گرافن اکسید ویژگی مهم دیگری نیز دارند: رسانایی الکتریکی آنها با خم‌شدن و تاخوردن تغییر می‌کند. این ویژگی به ساختار اجازه می‌دهد هم‌زمان با حرکت، وضعیت و تغییر شکل خود را حس کند.

پژوهشگران دریافتند که این «خودحسگری» به ماده امکان می‌دهد به‌طور هم‌زمان نقش عملگر و حسگر را ایفا کند. حذف نیاز به حسگر‌های مجزا، پیچیدگی سامانه را کاهش داده و به کوچک‌تر شدن و سبک‌تر شدن ربات‌های نرم کمک می‌کند؛ مزیتی کلیدی برای کاربرد‌هایی که فضا و وزن محدود است.

ترکیب حرکت، حسگری و قابلیت بازپیکربندی، این مواد اوریگامی‌شده از گرافن اکسید را به آجر‌های سازنده نسل تازه‌ای از ماشین‌های نرم تبدیل می‌کند. از جمله کاربرد‌های بالقوه می‌توان به ابزار‌های پزشکی با حرکت ملایم در بدن، سامانه‌های پوشیدنی که با پوست تطبیق پیدا می‌کنند و ربات‌های کوچکی اشاره کرد که برای محیط‌های بسته یا حساس طراحی شده‌اند.

افزون بر این، پژوهش‌ها نشان می‌دهند که این مواد قابلیت تولید در مقیاس صنعتی را دارند؛ عاملی که یکی از مهم‌ترین موانع پیشرفت ربات‌های نرم را برطرف می‌کند. اتکا به ورقه‌های تاخورده ساده، به‌جای مونتاژ‌های پیچیده، مسیری عملی و واقع‌گرایانه برای ورود این فناوری به دنیای واقعی ترسیم می‌کند.