الروبوتات
’المعدن اللاصق’ قد يكون له تطبيقات واسعة في الروبوتات وتخزين الطاقة وحتى حلول التكنولوجيا الحيوية
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
المعدن اللاصق للروبوتات اللينة
إحدى المشكلات التي يواجهها تطوير الروبوتات باستمرار هي إنشاء روبوتات وأنظمة يمكنها التعامل مع العالم الحقيقي. وهذا غالبًا ما يتطلب مرونة وأجزاء “لينة”، بدلاً من الهياكل الميكانيكية الصرفة.
يتم تجربة نهج مختلفة. وعلى وجه الخصوص، أبلغنا سابقًا عن أحدها: إنشاء مادة مغناطيسية جديدة لإنشاء ما يُسمى “الروبوتات اللينة”، والتي ناقشناها بالتفصيل في مقالتنا “كبسولات الجل المغناطيسي قد تدفع كلًا من الروبوتات والطب إلى الأمام“.
ومع ذلك، فإن نهجًا آخر قد يكون ربط الأجزاء المعدنية واللينة معًا. وقد كان هذا صعبًا تاريخيًا، حيث كانت الوصلات العضوية-المعدنية هي المشكلة الرئيسية.
تم حل هذه المشكلة ربما من قبل الباحثين وينهاو شو، فاراز أ. بورني، وسرينيفاسا ر. راغافان، الذين يعملون في جامعة ماريلاند، الولايات المتحدة. فقد طوروا نوعًا من “المعدن اللاصق” قادرًا على إنشاء وصلة قوية ودائمة مع معظم المواد اللينة مثل الهيدروجيل والعضلات والنباتات.
كيف يعمل المعدن اللاصق
يعتمد الاكتشاف على مبدأ جديد سماه الباحثون الالتصاق الكهربي الصلب‑اللين (EA).
لا يزال الباحثون يسعون لشرح كامل لكيفية عمله، لكن هذا ما يعرفونه حتى الآن.
فقط بعض المعادن تُظهر خصائص EA
ليس كل المعادن يمكن استخدامها في EA. المعادن التي تمتلك جهد اختزال إيجابي، بينما تلك التي لا تمتلك جهد اختزال سالب.
المعادن التي لا تلتصق هي تلك التي تتأكسد أولاً عند الأنود. هذا التأكسد (التحليل الكهربائي) للمعادن يهيمن على أي عمليات متنافسة، مما يفسر عدم وجود الالتصاق.
وعلى العكس، المعادن التي تلتصق تكون خاملة نسبيًا، مما يسمح لسلاسل البوليمر في شبكة الجل بأن تتأكسد أولاً عند الأنود.
هذا يستثني معادن شائعة مثل التيتانيوم والزنك والحديد والنيكل، وقد يفسر ذلك لماذا لم يُكتشف EA حتى الآن. ومع ذلك، لا يزال يشمل معادن شائعة ورخيصة مثل القصدير، الرصاص، النحاس، بالإضافة إلى الجرافيت (الذي ليس معدنًا بل كربون نقي). لذا، رغم أن هذا قد يكون قيدًا، إلا أنه لا ينبغي أن يكون عائقًا أمام أي استخدام في تطبيقات الروبوتات.
كيف يعمل؟
يتم إنشاء EA عندما يُطبق التيار على المعدن.
النظرية تقول إن أكسدة المادة اللينة (الجل أو غيره) تُنشئ روابط كيميائية بين المعدن وسلاسل البوليمر. هذه الروابط الكيميائية تُكوّن وصلة قوية بين المعدن والمادة اللينة، مما يؤدي إلى التلاصق القوي.
يمكن أيضًا عكس العملية بسهولة عن طريق تطبيق تيار عكسي. هذا يخلق ظروفًا كيميائية اختزالية، تُذيب “الرابطة الكيميائية” وتلغي الالتصاق.
تُعزز هذه النظرية التجارب التي أظهرت أن أي تغيير يحدث على الهيدروجيل يحدث فقط على سطح التلامس مع المعدن.
كما يبدو أن الطبيعة الدقيقة وخصائص الرابطة الكيميائية ستختلف اعتمادًا على كيميائيات المعدن والمادة اللينة المعنية.
ما الذي يمكن للمعدن اللاصق أن يلتصق به؟
تركز الورقة العلمية المنشورة في المقام الأول على الالتصاق بأنواع مختلفة من الهيدروجيل، لأنها مادة جيدة للتعديل والتجربة.
ومع ذلك، يمكن تطبيق المبادئ على العديد من المواد الأخرى، بما في ذلك عضلات الحيوانات أو حتى الطماطم. بوجه عام، الشرط الوحيد للمادة اللينة هو أن تكون موصلًا أيونيًا، وهو ما ينطبق على تقريبًا جميع الأنسجة الحيوية.
وبشكل مثير للإعجاب، يمكن أن يحدث EA أيضًا تحت الماء، حيث يكون التلاصق أمرًا صعبًا جدًا تحقيقه.
التطبيقات المحتملة للمعادن اللاصقة
قبضة الروبوتات
أول وأقرب تطبيق محتمل لـ EA هو تطوير قبضات أفضل للروبوتات. إن الإمساك بالأشياء بشكل صحيح دون إسقاطها أو سحقها إلى لبّ كان مشكلة مستمرة للروبوتات.
لا يتطلب EA أن يكون للذراع الروبوتية أصابع أو أيدي أو مفاصل أو أشكال معقدة ومحددة. لذا قد يفتح هذا الطريق أمام بدائل أرخص وأكثر كفاءة وأمانًا للطرق المستخدمة حاليًا.
المصدر: Corteva
البطاريات
البطاريات الفعّالة وسهلة التصنيع مطلوبة بشدة من قبل السيارات الكهربائية والنمو المتزايد للطاقة المتجددة في مزيج الطاقة. تعتمد معظم البطاريات على ربط قطبين صلبين معدنيين (أو جرافيت) صلبين معًا بواسطة إلكتروليت بينهما.
غالبًا ما يكون الإلكتروليت جلًا في مذيّب موصل للأيونات.
لذلك، اختبر باحثو جامعة ماريلاند ما إذا كان بإمكانهم استخدام EA لإنشاء نوع جديد من البطاريات.
استخدموا النحاس والزنك كأقطاب وتمكنوا من إنشاء بطارية بجهد 0.9 فولت.
كان هذا مجرد إثبات مفهوم تم إجراؤه من قبل غير متخصصين في مجال البطاريات. ومع ذلك، يعتقدون أن بطاريات مرنة وقابلة لإعادة الشحن يمكن إنشاؤها باستخدام نفس المبادئ. وقد يفتح ذلك الطريق أمام طريقة تصنيع بطاريات جديدة.
الروبوتات اللينة
كما ذكرنا سابقًا، لطالما حلم مهندسو الروبوتات بروبوتات تمزج بين المكونات الصلبة واللينة، محاكاةً كيف تمتلك الحيوانات عظامًا صلبة وعضلات وأنسجة لينة.
تم إجراء اختبار بدائي لتوضيح كيف يمكن استخدام EA لهذا الغرض. لهذا، استُخدم مزيج من مكونات صلبة (ألواح جرافيت) ومكونات لينة (هيدروجيل) لإنشاء “هيكل صلب‑لين يتحمل الأحمال”.
باستخدام أحمال متزايدة، دعم الهيكل أولًا ثم بدأ ينعطف. عندما أزيل هذا الوزن، ارتدت أعمدة الجل إلى حالتها الأصلية، وبالتالي ارتفع اللوح العلوي.
العناصر الصلبة وحدها لن تكون قابلة للضغط أو التشوه، بينما العناصر اللينة وحدها قد تُسحق تحت حمل. أما الجمع بينهما، فيمكنه تحمل الحمل بمرونة دون ضرر.
من خلال القدرة على الضغط و”الدفع إلى الخلف”، يمكن استخدام مثل هذا النظام لصنع مشغلات وروبوتات تتفاعل مع بيئتها بطريقة دقيقة.
لاصق تحت الماء
إن لصق أي شيء في بيئة غنية بالماء أو تحت الماء يمكن أن يكون تحديًا تقنيًا. غالبًا ما تتأثر الروابط اللاصقة بجزيئات الماء المحيطة وتكون أضعف مما هو مطلوب في معظم الحالات.
هنا، يكون الالتصاق ظاهرة كيميائية كهربائية تُفعَّل فقط عندما يتلامس الجل والمعدن تحت التيار. لأن EA يعتمد على تواصل كيميائي فعلي، فهو لا يتأثر بالماء المحيط.
الأطراف الصناعية والزرعات
استخدام آخر محتمل للمعدن اللاصق هو في التطبيقات الطبية الحيوية. لقد كانت توافقية المعدن مع جسم الإنسان دائمًا مشكلة في استخدام الزرعات المعدنية. ربط المعدن بالأنسجة اللينة دون إتلافها عملية صعبة.
إذا كان من الممكن جعل الزرعات أو الأطراف الصناعية مثل بدائل الأطراف تلتصق بالأنسجة اللينة، فستصبح أكثر عملية ووظيفية. كما يمكن أن تحسن بشكل كبير من جودة حياة المرضى.
الصورة من RAEng_Publications عبر Pixabay
وبما أن العملية يمكن عكسها بسهولة عن طريق تحفيز تيار كهربائي، فإن الزرعات اللاصقة من المرجح أن تكون أسهل كثيرًا في الاستبدال أو الإزالة أيضًا.
تطبيق متقدم باستخدام المعدن اللاصق
الالتصاق الكهربي الصلب‑اللين أو EA هو اكتشاف رائع مع العديد من التطبيقات المحتملة.
ليس فقط أنه يعمل مع جميع الجلّات الأيونية والأنسجة العضوية تقريبًا (أي شيء يحتوي على ماء وأملاح)، بل يمكن أيضًا استخدامه مع معادن أساسية رخيصة مثل القصدير، النحاس، وحتى الجرافيت. بفضل هذه المواد منخفضة التكلفة، فإن أي تطبيق صناعي لديه فرصة ليكون منافسًا من حيث التكلفة.
يمكن أن يغيّر هذا المجال بالكامل في الروبوتات، بدءًا من قبضات أفضل، خاصة للمنتجات الغذائية مثل اللحوم والفواكه والخضروات. ثم سيسمح بإنشاء روبوتات لينة حقيقية تمزج بين الأجزاء الصلبة واللينة/المرنة.
كما يمكن أن يسهل الروابط إلى الأطراف الصناعية والزرعات في الجسم، مما يقربنا خطوة واحدة من التكنولوجيا السيبرانية الحقيقية.
أخيرًا، قد يكون له تطبيقات تتجاوز الروبوتات والزرعات، ربما يخلق أنواعًا جديدة من البطاريات وكذلك لواصق تحت الماء وقابلة للعكس.
