طور باحثون في جامعة هارفارد مؤخرًا مجموعة جديدة من تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد التي يمكنها طباعة ألياف العضلات الإلكترونية مباشرة مع "قدرات الحركة المبرمجة"، مما يمثل خطوة أساسية للروبوتات لتحقيق حركة مرنة أقرب إلى البشر. وتعتقد الصناعة أنه من المتوقع أن يغير هذا الإنجاز طريقة تصميم الروبوتات الناعمة والأجهزة الطبية والهياكل الذكية.
لقد أنشأ المجتمع الهندسي منذ فترة طويلة هياكل مشابهة للعظام والأعصاب والأنظمة الحسية للروبوتات، لكن العضلات كانت دائمًا هي الأكثر صعوبة في المحاكاة. تعتمد الروبوتات التقليدية بشكل أساسي على المحركات ومحركات الأنظمة الهيدروليكية والهوائية. على الرغم من أن حركاتهم دقيقة وقوية، إلا أنهم غالبًا ما يكون لديهم هياكل جامدة وآليات معقدة ووضعيات غير أنيقة. من الصعب تحقيق حركات سلسة وناعمة ويمكن التحكم فيها بدقة مشابهة لجسم الإنسان. في السابق، حاول الباحثون استخدام العضلات الاصطناعية الهوائية، والسبائك الحساسة للحرارة، والبوليمرات المستجيبة للكهرباء، والمواد المغناطيسية، وأنظمة الكابلات التي تحاكي الأوتار البشرية لتحقيق محرك برمجي. ومع ذلك، فإنها غالبًا ما تتطلب ضواغط خارجية ضخمة، أو أجهزة عالية الجهد، أو آليات معقدة، مما يجعل من الصعب تحقيق تصنيع خفيف الوزن وسريع الاستجابة ومعقد في نفس الوقت.
تحاول الطريقة الجديدة التي اقترحها فريق كلية هارفارد جون بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية "بناء" منطق الحركة من المستوى المادي. استخدم الباحثون تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لطباعة نوعين من المواد الناعمة جنبًا إلى جنب بدقة في ألياف "عضلية" نحيلة: أحدهما عبارة عن مادة مطاطية كريستالية سائلة "مادة نشطة" يتغير شكلها عند تعرضها للحرارة، والآخر عبارة عن مادة "مطاطية سلبية" تقاوم التشوه. ومن خلال تدوير الفوهة أثناء عملية الطباعة، كتب الفريق أنماط توجيه جزيئية حلزونية على نطاق مجهري، وبالتالي التحكم بدقة في سلوك الاستجابة في مناطق مختلفة.
في ظل ظروف التسخين، ينكمش المطاط الصناعي البلوري السائل "النشط" على طول اتجاه ترتيب جزيئي محدد، بينما تشكل المادة "الخاملة" المرتبطة به بشكل وثيق مقاومة لهذا الانكماش. ونتيجة لذلك، فإن الألياف بأكملها ستخضع لتشوهات معقدة مثل الانحناء، والالتواء، والتجعيد، وحتى اللف. من خلال تغيير ترتيب المادتين ومعلمات دوران الفوهة، يمكن للباحثين ضبط مسارات تشوه مختلفة مسبقًا داخل ليف واحد، مما يسمح لها بالتمدد أو الانكماش أو الالتفاف الحلزوني أو الفتح بطريقة محددة مسبقًا عند تسخينها، دون الحاجة إلى تروس إضافية أو وصلات صلبة أو آليات ما بعد التجميع.
في العرض التجريبي، قام الفريق بطباعة مجموعة متنوعة من الهياكل الشبكية الناعمة والألياف المتموجة، ولاحظوا طرق تشوهها الفريدة من خلال التسخين. تتوسع بعض الهياكل بشكل كبير في الحجم بعد التسخين، بينما يتقلص البعض الآخر ككل؛ يمكن أن تنتفخ الشبكة المسطحة إلى سطح منحني يشبه القبة بعد تسخينها، مما يظهر قدرات تشوه كبيرة ثلاثية الأبعاد. استخدم الباحثون أيضًا هذا النوع من المواد لإنشاء ماسك ناعم يمكن أن يسقط ويلتف عند الاقتراب من جسم ما، ثم يشد لإكمال الإمساك، ثم يخفف ويتحرر بسبب تغيرات درجة الحرارة، مما يحقق عملية إمساك مرنة تشبه تلك التي تحدث في اليد البشرية.
وفقًا لفريق البحث، من المتوقع أن يتم استخدام هذه التكنولوجيا في مجالات مثل المناورات الناعمة التكيفية، وهياكل الترشيح والتنظيم النشطة، والأجهزة الطبية الحيوية، والمكونات المستجيبة لدرجة الحرارة، والأنظمة الروبوتية القابلة للتشوه في المستقبل. بالمقارنة مع طرق القيادة التقليدية، فإن هذه الطريقة متوافقة بشكل كبير مع عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد وتؤدي إلى تصنيع هياكل داخلية معقدة ومخصصة للغاية، مما يجعل من الممكن تركيب مجموعات هندسية وحركية كان من الصعب تحقيقها في السابق باستخدام المحركات التقليدية.
ومع ذلك، لا يزال النظام الحالي يعاني من قيود كبيرة. في الوقت الحاضر، يعتمد تنشيط الألياف بشكل أساسي على التحفيز الحراري، مما يجعل من الصعب مطابقة الأنظمة الحركية الناضجة من حيث سرعة الاستجابة وكفاءة الطاقة، وقدرة الإخراج الإجمالية ليست كافية لاستبدال مشغلات الروبوت التقليدية تمامًا في سيناريوهات الطاقة العالية. وقال الباحثون إن المواد ذات الصلة والتصميمات الهيكلية لا تزال في المرحلة التجريبية، وتحتاج إلى التحسين المستمر من حيث أساليب التحفيز والمتانة وكفاءة استخدام الطاقة وما إلى ذلك قبل أن تتمكن من التحرك حقًا نحو التطبيقات الهندسية والتجارية.
أجرى هذا البحث فريق من جامعة هارفارد، وتم إصدار نتائج مفصلة من خلال كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بالجامعة.