นักวิทยาศาสตร์สร้างหุ่นยนต์เดินควบคุมระยะไกลที่เล็กที่สุดในโลก

หุ่นยนต์เดินขนาดเล็กที่มีความกว้างเพียง 0.5 มม. ที่พัฒนาโดยศาสตราจารย์จอห์น โรเจอร์สแห่งมหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์น และเพื่อนร่วมงานของเขาสามารถโค้งงอ บิด คลาน เดิน พลิกตัว และกระโดดได้

“วิทยาการหุ่นยนต์เป็นสาขาการวิจัยที่น่าตื่นเต้น และการพัฒนาหุ่นยนต์ขนาดเล็กเป็นหัวข้อที่สนุกสนานสำหรับการสำรวจทางวิชาการ” ศาสตราจารย์โรเจอร์สกล่าว

“คุณอาจจินตนาการว่าไมโครหุ่นยนต์เป็นตัวแทนในการซ่อมแซมหรือประกอบโครงสร้างหรือเครื่องจักรขนาดเล็กในอุตสาหกรรม หรือเป็นผู้ช่วยผ่าตัดเพื่อล้างหลอดเลือดที่อุดตัน เพื่อหยุดเลือดไหลภายใน หรือเพื่อกำจัดเนื้องอกมะเร็ง ทั้งหมดนี้อยู่ในขั้นตอนการบุกรุกน้อยที่สุด”

“เทคโนโลยีของเราเปิดใช้งานรูปแบบการเคลื่อนไหวที่ควบคุมได้หลากหลาย และสามารถเดินด้วยความเร็วเฉลี่ยครึ่งหนึ่งของความยาวลำตัวต่อวินาที นี่เป็นเรื่องที่ท้าทายมากที่จะบรรลุผลสำเร็จในระดับขนาดเล็กเช่นนี้สำหรับหุ่นยนต์ภาคพื้นดิน” ศาสตราจารย์ Yonggang Huang จาก Northwestern University กล่าว

หุ่นยนต์ตัวเล็กของทีมไม่ได้ใช้พลังงานจากฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อน ระบบไฮดรอลิกส์ หรือไฟฟ้า ในทางกลับกัน พลังของมันอยู่ในความยืดหยุ่นของร่างกาย

ในการสร้างหุ่นยนต์ นักวิจัยได้ใช้วัสดุโลหะผสมที่มีหน่วยความจำรูปร่าง ซึ่งจะแปลงเป็นรูปร่างที่ “จำได้” เมื่อถูกความร้อน

ในกรณีนี้ พวกเขาใช้ลำแสงเลเซอร์ที่สแกนเพื่อให้ความร้อนแก่หุ่นยนต์อย่างรวดเร็ว ณ ตำแหน่งเป้าหมายต่างๆ ทั่วร่างกาย การเคลือบแก้วบางๆ จะทำให้ส่วนที่เกี่ยวข้องของโครงสร้างกลับคืนสู่รูปร่างที่ผิดรูปได้อย่างยืดหยุ่นเมื่อเย็นตัวลง

เมื่อหุ่นยนต์เปลี่ยนจากเฟสหนึ่งไปอีกเฟสหนึ่ง — เปลี่ยนรูปเป็นรูปร่างที่จำได้แล้วกลับมาอีกครั้ง — ทำให้เกิดการเคลื่อนไหว

เลเซอร์ไม่เพียงแต่ควบคุมหุ่นยนต์จากระยะไกลเพื่อเปิดใช้งานเท่านั้น ทิศทางการสแกนด้วยเลเซอร์ยังกำหนดทิศทางการเดินของหุ่นยนต์อีกด้วย

การสแกนจากซ้ายไปขวา เช่น ทำให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่จากขวาไปซ้าย

“เนื่องจากโครงสร้างเหล่านี้มีขนาดเล็กมาก อัตราการระบายความร้อนจึงเร็วมาก ในความเป็นจริง การลดขนาดของหุ่นยนต์เหล่านี้ทำให้พวกมันวิ่งได้เร็วขึ้น” ศาสตราจารย์โรเจอร์สกล่าว

ในการผลิตหุ่นยนต์จิ๋วเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้หันไปใช้เทคนิคที่พวกเขาแนะนำเมื่อแปดปีที่แล้ว ซึ่งเป็นวิธีการประกอบป๊อปอัปที่ได้รับแรงบันดาลใจจากหนังสือป๊อปอัปของเด็ก

ประการแรก พวกเขาประดิษฐ์สารตั้งต้นของโครงสร้างปูเดินในรูปทรงแบนราบ

จากนั้นจึงเชื่อมประสานสารตั้งต้นเหล่านี้เข้ากับพื้นผิวยางที่ยืดออกเล็กน้อย

เมื่อพื้นผิวที่ยืดออกจะคลายตัว กระบวนการโก่งตัวแบบควบคุมจะเกิดขึ้นซึ่งทำให้ปู “ปรากฏขึ้น” ในรูปแบบ 3 มิติที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ

ด้วยวิธีการผลิตนี้ ผู้เขียนสามารถพัฒนาหุ่นยนต์ที่มีรูปร่างและขนาดต่างๆ

“ด้วยเทคนิคการประกอบและแนวคิดด้านวัสดุเหล่านี้ เราสามารถสร้างหุ่นยนต์เดินได้เกือบทุกขนาดหรือรูปร่าง 3 มิติ” ศาสตราจารย์โรเจอร์สกล่าว

“แต่นักเรียนรู้สึกมีแรงบันดาลใจและขบขันจากการคลานไปมาของปูตัวเล็ก มันเป็นความตั้งใจที่สร้างสรรค์”

Yonggang Huang

Yonggang Huang เป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกล วิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อม และวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์น เขามีความสนใจในกลศาสตร์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นและยืดหยุ่นได้ และการประกอบ 3D ที่กำหนดขึ้นได้ เขาได้ตีพิมพ์หนังสือ 2 เล่มและเอกสารทางวารสารมากกว่า 600 ฉบับ รวมถึง 10 ฉบับในสาขาวิทยาศาสตร์และ 6 เรื่องในธรรมชาติ

เขาเป็นสมาชิกของ US National Academy of Engineering, US National Academy of Sciences และ American Academy of Arts and Sciences เขาเป็นนักวิจัยที่ได้รับการยกย่องอย่างมากในด้านวิศวกรรม (2009) ในสาขาวัสดุศาสตร์ (ตั้งแต่ปี 2014) และในสาขาฟิสิกส์ (2018)

ผลงานการสอนและการให้คำปรึกษาระดับปริญญาตรีของเขาตั้งแต่ปี 2016 ได้แก่ รางวัล Cole-Higgins Award for Excellence in Teaching, McCormick School of Engineering, Northwestern University ในปี 2016; และคณะรัฐบาลนักศึกษาร่วมและผู้บริหารกิตติมศักดิ์ Northwestern University ปี 2018 และ 2020

พบกับหุ่นยนต์เดินควบคุมระยะไกลที่เล็กที่สุดที่เคยมีมา

แม้จะตัวเล็กกว่าหมัดก็ตาม หุ่นปูที่สร้างขึ้นโดยวิศวกรจากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น อาจเป็นสัญญาณบ่งบอกถึงการเริ่มต้นยุคใหม่ของหุ่นยนต์ไมโครสเกล

วิศวกรได้เปิดตัวหุ่นยนต์เดินควบคุมระยะไกลที่เล็กที่สุดที่เคยสร้างมา – เล็กกว่าหมัด

ปูหุ่นยนต์ตัวเล็กสามารถ “เดิน งอ บิด หมุน และกระโดดได้” ตามที่วิศวกรจากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์นในสหรัฐอเมริกากล่าว มันสามารถส่งสัญญาณการเริ่มต้นยุคใหม่ของหุ่นยนต์ไมโครสเกล

เครื่องจักรขนาดเล็กนี้ไม่ได้ใช้พลังงานจากฮาร์ดแวร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก แต่ใช้วัสดุโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างที่จะเปลี่ยนเมื่อถูกความร้อน

พวกเขาเคลื่อนไหวอย่างไร?

นักวิจัยใช้ลำแสงเลเซอร์ที่สแกนเพื่อให้ความร้อนแก่อุปกรณ์อย่างรวดเร็วในตำแหน่งต่างๆ ทั่วร่างกาย เพื่อให้อุปกรณ์แปลงร่างและบังคับหุ่นยนต์ให้เคลื่อนที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

กลอุบายอย่างหนึ่งที่นักวิจัยใช้คือการหุ้มอุปกรณ์ด้วยกระจกบาง ๆ ซึ่งบังคับให้ส่วนหนึ่งของโครงสร้างของหุ่นยนต์กลับคืนสู่รูปร่างที่ผิดรูปหลังจากที่เย็นตัวลง

“เนื่องจากโครงสร้างเหล่านี้มีขนาดเล็กมาก อัตราการระบายความร้อนจึงเร็วมาก อันที่จริง การลดขนาดของหุ่นยนต์เหล่านี้ช่วยให้พวกมันวิ่งได้เร็วขึ้น” ศาสตราจารย์จอห์น โรเจอร์ส ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยเชิงทดลองอธิบาย

ส่วนหนึ่งของความสำเร็จอยู่ในกระบวนการผลิต ซึ่งเกี่ยวข้องกับการประสานสารตั้งต้นแบบแบนกับยางที่ยืดออกเล็กน้อย ซึ่งบังคับให้ปูมีรูปร่าง 3 มิติเหมือนหนังสือป๊อปอัป

งานยังคงเป็นการสำรวจและทดลองอย่างไรก็ตาม

ศาสตราจารย์หย่งกัง หวาง หัวหน้าทีมวิจัยกล่าวว่า แม้จะมีช่วงการเคลื่อนไหวและขนาดใกล้เคียงกัน แต่ตัวปูนั้นช้ากว่าหมัดมาก และมี “ความเร็วเฉลี่ยครึ่งหนึ่งของความยาวลำตัวต่อวินาที”

ศาสตราจารย์หวางกล่าวเสริมว่า “นี่เป็นเรื่องที่ท้าทายมากที่จะบรรลุผลสำเร็จในระดับขนาดเล็กเช่นนี้สำหรับหุ่นยนต์ภาคพื้นดิน”

สร้างขึ้นด้วยความตั้งใจ

Northwestern University กล่าวว่า “แม้ว่าการวิจัยจะเป็นแบบสำรวจ ณ จุดนี้ นักวิจัยเชื่อว่าเทคโนโลยีของพวกเขาอาจทำให้สนามใกล้เคียงกับหุ่นยนต์ขนาดเล็กที่สามารถปฏิบัติงานจริงในพื้นที่แคบได้”

ศาสตราจารย์โรเจอร์สกล่าวเสริมว่า “คุณอาจจินตนาการว่าไมโครหุ่นยนต์เป็นตัวแทนในการซ่อมแซมหรือประกอบโครงสร้างหรือเครื่องจักรขนาดเล็กในอุตสาหกรรม หรือเป็นผู้ช่วยผ่าตัดเพื่อล้างหลอดเลือดที่อุดตัน เพื่อหยุดเลือดไหลภายใน หรือเพื่อกำจัดเนื้องอกมะเร็ง ทั้งหมดนี้อยู่ในขั้นตอนการบุกรุกน้อยที่สุด”

หุ่นยนต์ขนาดมิลลิเมตรที่มีลักษณะคล้ายไส้เดือนฝอย จิ้งหรีด และแมลงเต่าทองก็ถูกสร้างขึ้นเช่นกัน แต่นักศึกษาของศาสตราจารย์โรเจอร์สและหวางก็ตัดสินใจเลือกปู Pekytoe

“เราสามารถสร้างหุ่นยนต์เดินได้เกือบทุกขนาดหรือรูปทรง 3 มิติ” ศาสตราจารย์โรเจอร์สกล่าว

“แต่นักเรียนรู้สึกมีแรงบันดาลใจและขบขันจากการคลานไปด้านข้างของปูตัวเล็ก ๆ มันเป็นความตั้งใจที่สร้างสรรค์”

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ anclotefire.com