نگاهی به ریزرباتها با مغز دیجیتال و منبع انرژی نوری
در تازهترین دستاوردهای فناوری ریزرباتها، پژوهشگران از تیمی بین المللی با تمرکز بر تحقیقات دانشگاه پنسیلوانیا و همکاری دانشگاه میشیگان، از رباتهایی خبر میدهند که در ابعاد میکروسکوپی ساخته میشوند و به لحاظ عملکردی کاملاً مستقل و قابل برنامهریزیاند. این رباتها با وجود اندازهای به اندازه باکتریها، میتوانند محیط اطراف خود را حس کنند، تصمیم بگیرند و برای مدتهای طولانی به صورت خودمختار به فعالیت ادامه دهند. ساختار پایه این ماشینهای شناگر به گونهای طراحی شده که از وجود قطعات متحرک استفاده نمیکند و به جای آن از ترکیبی از مغز دیجیتال پیشرفته، حسگرها و یک موتور سیالی بهره میبرد. این رویکرد منحصربهفرد موجب میشود تا رباتهای میکروسکوپی بتوانند در محیطهای مایع به طور پایدار و بادوام باقی بمانند و بدون نیاز به سوختهای پیچیده یا تعمیرات مداوم عمل کنند.
به گزارش تیم آرشیو کامل، این فناوری از سه جزء اصلی تشکیل شده است: یک مغز محاسباتی فوقکوچک که با بهرهگیری از فناوریهای رایانهای پیشرفته کار میکند، مجموعهای از حسگرهای سطحی برای تشخیص تغییرات محیطی و یک موتور شناور بدون قطعات متحرک. با این ترکیب، رباتها قادرند بهطور خودکار تصمیمگیری کنند و با هدایت میدانی مناسب در محیط مایع عمل نمایند. طراحی بدون قطعات قابل حرکت، در کنار اندازه کوچک، باعث میشود تا این رباتها بتوانند در محیطهای آزمایشگاهی بهراحتی جابجا شوند و از نظر بازرسیهای بیولوژیکی یا شیمیایی، به ابزارهای کمهزینه و کارآمدی تبدیل شوند.
یکی از ویژگیهای کلیدی این ریزرباتها، انرژیدهی آنها از نور است. هر ربات بهطور کامل از انرژی نور فول میکند و بهعنوان یکی از جنبههای جالب علمی، این قابلیت به همراه یک سطح پوشیده از سلولهای خورشیدی عمل میکند که هم انرژی را جمعآوری میکند و هم بهعنوان گیرندههای نوری عمل میکند. در واقع، منبع انرژی و کنترل عملکرد ربات بهطور همزمان از طریق پالسهای نوری انجام میشود. این طراحی باعث میشود که رباتها بدون قطعات متحرک به طور پایدار درون محیطهای مایع شنا کنند و با انرژی کم، مدت طولانی به کار خود ادامه دهند. این امر بهویژه در محیطهای آزمایشگاهی یا محیطهای بیولوژیکی که دسترسی به منابع انرژی دشوار است، اهمیت زیادی پیدا میکند.
ابعاد هر ربات به حدود 0.2 در 0.3 در 0.05 میلیمتر میرسد و به آنها اجازه میدهد تا در سطحی با ابعاد باکتریها یا سلولهای تکسلولی قرار بگیرند. با وجود این اندازه کوچک، این رباتها قادرند الگوهای حرکتی پیچیدهای را اجرا کنند، به تغییرات دما پاسخ دهند و حتی حرکت خود را در گروههای بزرگ هماهنگ کنند. یکی از جنبههای جذاب این فناوری، امکانِ استفاده از سیستمهای الکتریکی برای ایجاد یک میدان حرکتی است که یونهای موجود در مایع را جابهجا میکند و در نتیجه نیروی پیشرانشی لازم برای حرکت ربات را فراهم میکند. این رویکرد به ربات اجازه میدهد بدون داشتن قطعات مکانیکی متحرک، برای مدت زمانهای طولانی در محیطهای آبی شنا کنند و در عین حال با ابزارهای آزمایشگاهی بهراحتی جابهجا شوند.
در این پروژه، مغزی که به «نور فکر میکند» نامیده میشود، از یک رایانه فوقکوچک بهره میبرد. گفته میشود که برای کارکرد این مغز تنها به حدود 75 نانووات توان نیاز است؛ به عبارتی حدود یک صدم تا حدود 100 هزار برابر کمتر از انرژی یک گوشی هوشمند معمولی. بخش بزرگی از سطح هر ربات با سلولهای خورشیدی پوشانده شده است تا انرژی را هم جمعآوری کند و هم بهعنوان گیرندههای نوری عمل نماید. از پالسهای نوری برای تأمین انرژی و همچنین برای برنامهریزی و اجرای دستورات استفاده میشود. هر ربات دارای شناسنامه منحصربهفردی است که به آن اجازه میدهد دستورالعملهای اختصاصی دریافت کند. این ویژگی به رباتها امکان میدهد تا با سایر واحدهای مشابه همکاری کرده و در نتیجه گروهی از رباتها را بهطور هماهنگ هدایت کنند. در نسل فعلی، این ریزرباتها از حسگرهای دمایی برخوردارند که توانایی تشخیص تفاوتهای دمایی تا حدود یک سوم درجه سلسیوس را دارند. با وجود این حسگرها، میتوانند به سمت مناطقی با گرمای نسبی بالاتر حرکت کنند یا با لرزشهای خاصی که به نوعی به رقصهای شبیه به رفتار زنبورهای عسل شباهت دارد، تغییرات دما را گزارش کنند.
مارک میسکین، نویسنده ارشد این پژوهش، تأکید کرده است که این تنها فصل نخست از این فناوری است. به گفته او، تیم توانسته است نشان دهد که میتوان یک مغز دیجیتال، یک حسگر و یک موتور را در یک واحد میکروسکوپی جای داد و این مجموعه را برای ماهها به کار گرفت. آینده این فناوری میتواند شامل افزودن حسگرهای بیشتر، ذخیرهسازی برنامههای پیچیدهتر و توانایی عملکرد در محیطهای نسبتاً دشوارتر باشد که از نظر کاربردی میتواند تحولات بزرگی را در حوزه پزشکی و تولید در مقیاس میکرو پدید آورد. البته برای کاربردهای گستردهتر، نیازهای ایمنی، کالیبراسیون دقیق و استانداردهای آزمایشگاهی مشخصی وجود دارد که باید همواره در نظر گرفته شوند. به گزارش تیم آرشیو کامل، این دستاورد نشان میدهد که درک مفاهیم مغز-حسگر-موتور در مقیاسی نزدیک به دیده نشده است و در عین حال میتواند به توسعه ابزارهای تشخیصی و پژوهشی در حوزههای مختلف بینجامد.
نسخههای آینده این فناوری میتواند شامل توسعه حسگرهای بیشماری دیگر مانند حسگرهای شیمیایی، بیولوژیکی یا نور-سازگارتر باشد تا امکان اجرای برنامههای پیچیدهتری را در محیطهای متنوع فراهم کند. پژوهشگران همچنین بهبودهای ممکن در زمینه کنترلهای همزمان و همگامسازی با فواصل طولانی را بررسی میکنند تا رباتهای میکروسکوپی بتوانند در پروژههای گستردهتری مانند مدلسازی رفتار سیستمهای زیستی یا آزمایشهای پزشکی در مقیاس میکرو مشارکت داشته باشند. با وجود این پتانسیلها، باید محتاطانه به پیشرفتهای آینده نگاه کرد و به نکات ایمنی و اخلاقی اهمیت داد تا از هرگونه خطر احتمالی در محیطهای آموزشی و پژوهشی جلوگیری شود. این فناوری در حال حاضر برای اهداف آزمایشگاهی و پژوهشی طراحی شده است و استفاده عمومی از آن نیازمند چارچوبهای قانونی و استانداردهای ایمنی دقیق است.
در نهایت، این پروژه با هزینهای در حدود یک سنت برای هر ربات، بههمراه انرژی از نور، نشان میدهد که مفهوم «رایانه در درون ذره» میتواند به شکل قابل توجهی به کاربردهای میکرو-الکترونیک و میکرو-بیومدیکال نزدیک شود. با توجه به توضیحات میسکین، نسل فعلی به حسگرهای دمایی حساس است و امکان حرکت ربات به سمت نواحی گرمتر را فراهم میکند. اگرچه این فناوری هنوز در فاز آزمایشگاهی است، اما پتانسیل آن برای تغییر چهره پژوهشهای پزشکی و تولید در سطح میکرو بر کسی پوشیده نیست. این دستاورد با وجود پیچیدگیهای فنی، گویای چشمانداز روشن برای آیندهای است که در آن مغز دیجیتال، حسگرها و موتورهای درون مایع بهطور همزمان با نور انرژی میگیرند و وظیفههای متنوعی را در قالب رباتهای میکروسکوپی به انجام میرسانند. به این ترتیب، بشر بهزودی میتواند از ابزارهای میکرو و بیسیم با عملکردهای پیشرفته در زمینههای مختلفی از پژوهشهای زیستی تا طراحیهای صنعتی بهرهمند شود. در پایان باید به این نکته اشاره کرد که این فناوری، اگر با چارچوبهای ایمنی و قانونی مناسب همراه شود، میتواند به عنوان بخشی از زیرساختهای پژوهشی در آزمایشگاههای پیشرفته مطرح گردد و زمینهساز گامهای بعدی در میکرو-رباتیک شود. این تحول علمی، گرچه در آغاز راه است، اما چشماندازی فراتر از امروز را پیش رو قرار میدهد که با هماهنگی میان دانشگاهها، صنایع و نهادهای نظارتی میتواند به دستاوردهای ملموس در حوزه پزشکی، زیستشناسی و مهندسی سازههای میکروسکوپی منجر شود.
تحلیل نقادانه از پیامدها و چارچوب اجرایی
این دستاورد بزرگ در حوزه فناوری ریزرباتها با وجود پتانسیلهای بسیار، باید با حساسیتهای اخلاقی، ایمنی و قانونی همراه شود. در حوزه پزشکی و پژوهشهای زیستی، کوچکترین ریزرباتها میتوانند به ابزارهای تشخیصی یا درمانی کمهزینه و کارآمد تبدیل شوند، اما استفاده از آنها در محیطهای خارج از آزمایشگاه یا در شرایط بالینی نیازمند سازوکارهای نظارتی دقیق است تا از هرگونه خطر ناخواسته برای سلامت عمومی پرهیز شود. پاسخ به سوالاتی مانند نحوه جلوگیری از هرگونه انتشار غیرقانونی در محیط طبیعی، چگونگی حفظ حریمهای زیستی و جلوگیری از استفاده تجاری خارج از بافتهای پژوهشی، از اهمیت بالایی برخوردار است. از منظر امنیتی، کنترل و مدیریت دسترسی به دادهها و مدلهای تصمیمگیری ناشی از مغز دیجیتال در چنین ریزرباتی نکتهای حساس است؛ با توجه به سطح پایین مصرف انرژی و قابلیت کارکرد طولانی مدت، باید به ایمنی انرژی، نگهداری و پایش مستمر این سیستمها توجه شود تا خطرات احتمالی در آزمایشگاههای آموزشی یا صنعتی کاهش یابد. این نکته بهویژه در ایران اهمیت دارد که مقررات داخلی و چارچوبهای قانونی موجود، باید با فناوریهای پیشرفته همسو شده و از منظر حقوقی و اخلاقی تضمین شوند. تجربه پژوهشگران نشان میدهد که هر فناوری تازهای نیازمند آزمایشهای گسترده در محیطهای کنترلشده است تا امکان بهرهبرداری ایمن و مؤثر از آن در حوزههای مختلف فراهم آید. از منظر اجرایی، توسعه این فناوری به تجهیزات آزمایشگاهی پیشرفته، استانداردهای ارزیابی عملکرد، و پروتکلهای ایمنی مطمئن نیاز دارد تا بتوان به سطحی رسید که بتوان از نتایج آن در خدمات پزشکی یا صنعتی بهره برد. به علاوه، توسعه چنین فناوریای نیازمند همکاریهای بین دانشگاهی، صنعتی و نهادهای نظارتی است تا از سویههای مختلف نگاهها به منافع عمومی و امنیتی پاسخ داده شود. در نهایت، با وجود اینکه این فناوری از منظر علمی یک گام بزرگ محسوب میشود، تعامل با چارچوبهای قانونی و اخلاقی کشورها برای جلوگیری از سوءاستفاده و تضمین سلامت عمومی ضروری است. این تحلیل میکوشد تا به تناسب با قوانین جمهوری اسلامی ایران مسیرهای ایمنی، شفافیت و پاسخگویی را در پیگیریهای پژوهشی روشن کند تا هم از افتادن به دام سوءاستفادههای فناوری پیشگیری شود و هم امکان بهرهبرداری مثبت از این دستاورد برای پیشرفت پژوهشهای بنیادی و کاربردی فراهم آید. به طور کلی، راهبرد مطلوب در ایران باید بر ایجاد سازوکارهای بازرسی، اعتبارسنجی و پایش مستمر، همراه با آموزشهای امن و مسئولانه برای پژوهشگران و کاربران نهایی است تا از هرگونه خطر احتمالی جلوگیری شود.