สรุปโดยย่อ
- นักวิจัยสร้างหุ่นยนต์อิสระขนาดเมล็ดเกลือที่ว่ายน้ำ รับรู้อุณหภูมิ และทำงานอย่างอิสระเป็นเดือน
- หุ่นยนต์ใช้สนามไฟฟ้าแทนชิ้นส่วนกลไกเคลื่อนไหว
- เป็นหุ่นยนต์ขนาดต่ำกว่ามิลลิเมตรตัวแรกที่มีคอมพิวเตอร์ในตัว ราคาการผลิตเพียงหนึ่งเพนนีต่อชิ้น
นักวิจัยเพิ่งลดขนาดหุ่นยนต์อิสระให้เหลือเท่ากับเกล็ดฝุ่น และหุ่นยนต์เหล่านี้สามารถคิดได้—ในระดับหนึ่ง
ทีมจากมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียและมหาวิทยาลัยมิชิแกนสร้างเครื่องจักรจิ๋ว—ขนาด 200 คูณ 300 คูณ 50 ไมโครเมตร ซึ่งเท่ากับเมล็ดเกลือ—ที่ว่ายน้ำในของเหลว รับรู้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ตัดสินใจเอง และทำงานเป็นเดือน ๆ แต่ละชิ้นใช้ต้นทุนประมาณหนึ่งเพนนีในการผลิต
หุ่นยนต์เหล่านี้เป็นอิสระเต็มรูปแบบ ไม่มีสายไฟ ไม่มีสนามแม่เหล็ก ไม่มีจอยสติ๊กจากภายนอก เพียงคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก เซ็นเซอร์ และระบบขับเคลื่อนที่บรรจุอยู่ในสิ่งที่เกือบจะมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า
“เราได้สร้างหุ่นยนต์อิสระที่มีขนาดเล็กลง 10,000 เท่า” มาร์ค มิสกิน รองศาสตราจารย์จาก Penn Engineering กล่าวกับ Science Daily. “นั่นเปิดโอกาสให้กับระดับใหม่ของหุ่นยนต์ที่สามารถโปรแกรมได้”
ความก้าวหน้านี้แก้ปัญหาที่ทำให้หุ่นยนต์วิทยาศาสตร์หยุดชะงักมานาน 40 ปี: วิธีสร้างเครื่องจักรที่ทำงานอย่างอิสระต่ำกว่าหนึ่งมิลลิเมตร อิเล็กทรอนิกส์ยังคงลดขนาด แต่หุ่นยนต์ไม่ตาม การฟิสิกส์ในระดับนี้รุนแรง—มิสกินอธิบายว่าการผลักดันผ่านน้ำรู้สึกเหมือนผลักผ่านยางมะตอย และแขนหรือขาขนาดเล็กก็แตกง่าย
ดังนั้นทีมจึงละทิ้งการออกแบบแบบเดิมทั้งหมด แทนที่จะงอหรือยืดแขนขา หุ่นยนต์เหล่านี้สร้างสนามไฟฟ้าที่ผลักอนุภาคที่มีประจุในของเหลวรอบข้าง อิออนเหล่านั้นลากโมเลกุลน้ำไปด้วยกัน ทำให้เกิดการเคลื่อนไหว
ภาพเคลื่อนไหวคาดการณ์ของเส้นทางของอนุภาคตัวนำร่องใกล้หุ่นยนต์ที่ประกอบด้วยมอเตอร์สามตัวเชื่อมต่อกัน (เครดิต: ลูคัส แฮนสัน และ วิลเลียม ไรน์ฮาร์ด มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย)
แนวทางนี้ได้ผลเพราะไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว ขั้วไฟฟ้าแข็งแรงพอที่จะถูกถ่ายโอนซ้ำแล้วซ้ำเล่าโดยใช้ปิเปตต์ไมโครโดยไม่เสียหาย โดยใช้แสง LED เป็นแหล่งพลังงาน หุ่นยนต์เหล่านี้ว่ายน้ำต่อเนื่องเป็นเดือน
แผงโซลาร์เซลล์ขนาดเล็กที่จ่ายพลังงานให้หุ่นยนต์เหล่านี้ผลิตพลังงานเพียง 75 นาโนวัตต์ เพื่อให้ทำงานได้ มิชิแกนออกแบบวงจรที่ทำงานในแรงดันไฟฟ้าต่ำมาก ลดการใช้พลังงานลงกว่า 1,000 เท่า พวกเขายังต้องคิดใหม่ทั้งหมดเกี่ยวกับการทำงานของซอฟต์แวร์ รวมคำสั่งที่ปกติจะต้องใช้คำสั่งหลายคำให้กลายเป็นคำสั่งเฉพาะทางเดียวที่พอดีกับหน่วยความจำจิ๋ว
ผลลัพธ์: หุ่นยนต์ขนาดต่ำกว่ามิลลิเมตรตัวแรกที่มีคอมพิวเตอร์ครบถ้วน ตัวประมวลผล หน่วยความจำ เซ็นเซอร์—แพ็คเกจเต็มรูปแบบ ยังไม่มีใครทำแบบนี้ในระดับนี้มาก่อน
หุ่นยนต์จิ๋วที่บูรณาการเต็มที่กับเซ็นเซอร์และคอมพิวเตอร์ ขนาดพอที่จะสมดุลบนแนวรอยนิ้วมือ เครดิต: มาร์ค มิสกิน มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย (ภาพแทรก: หุ่นยนต์จิ๋วบนเหรียญเพนนีของสหรัฐอเมริกา แสดงขนาด เครดิต: ไมเคิล ซิมาริ มหาวิทยาลัยมิชิแกน)
หุ่นยนต์เหล่านี้สามารถตรวจจับอุณหภูมิได้แม่นยำถึงหนึ่งในสามขององศาเซลเซียส—หรือหกในสิบขององศาฟาเรนไฮต์ สำหรับผู้ที่ชื่นชอบระบบอิมพริเรียล พวกมันสามารถเคลื่อนที่ไปยังบริเวณที่อุ่นขึ้น หรือรายงานค่าของอุณหภูมิที่เป็นตัวแทนของกิจกรรมของเซลล์—อาจใช้ในการตรวจสอบเซลล์แต่ละเซลล์
เพื่อสื่อสารผลการวัด นักวิจัยออกแบบคำสั่งพิเศษที่เข้ารหัสข้อมูลใน “การแกว่ง” ของการเต้นรำเล็ก ๆ ที่หุ่นยนต์ทำ นักวิทยาศาสตร์สังเกตผ่านกล้องจุลทรรศน์และถอดรหัสข้อความ เหมือนกับการสื่อสารของผึ้งเลี้ยงรัง กล่าวโดย ดร. เดวิด บลาว์ ศาสตราจารย์ด้านไฟฟ้าและวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ มหาวิทยาลัยมิชิแกน
หุ่นยนต์เหล่านี้ถูกโปรแกรมผ่านคลื่นแสงที่ให้พลังงานด้วย แต่ละตัวมีที่อยู่เฉพาะตัว ทำให้นักวิจัยสามารถโหลดโปรแกรมต่าง ๆ ลงในหน่วยต่าง ๆ ได้ พวกมันสามารถทำงานอย่างอิสระหรือประสานงานกันเป็นกลุ่ม เคลื่อนที่ในรูปแบบเหมือนฝูงปลา ด้วยความเร็วสูงสุดเท่ากับความยาวตัวหนึ่งต่อวินาที
เวอร์ชันในอนาคตอาจเก็บโปรแกรมที่ซับซ้อนมากขึ้น ผนวกเซ็นเซอร์ใหม่ หรือทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงขึ้น การออกแบบปัจจุบันเป็นแพลตฟอร์ม—ระบบขับเคลื่อนของมันทำงานร่วมกับอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถผลิตได้ในราคาถูกในระดับอุตสาหกรรม
“นี่เป็นเพียงบทแรกเท่านั้น” มิสกินกล่าว “เราแสดงให้เห็นว่าคุณสามารถใส่สมอง เซ็นเซอร์ และมอเตอร์เข้าไปในสิ่งที่เกือบจะมองไม่เห็น แล้วให้มันอยู่รอดและทำงานเป็นเดือน ๆ ได้”
“เมื่อคุณมีพื้นฐานนั้นแล้ว” เขาเสริม “คุณสามารถเพิ่มความฉลาดและความสามารถต่าง ๆ ได้อีกมากมาย”
