الروبوتات الدقيقة

تستطيع الروبوتات الدقيقة التي تستخدم الحركة السطحية التحرك بطرق متنوعة، بما في ذلك المشي والزحف والتدحرج والقفز. وتواجه هذه الروبوتات تحديات مختلفة، مثل الجاذبية والاحتكاك. ومن بين المعايير التي تصف الحركة السطحية عدد فروند، الذي يُعرَّف على النحو التالي:

${\displaystyle Fr={\frac {v^{2}}{g*\lambda _{s}}}}$

حيث v هي سرعة الحركة، و g هو مجال الجاذبية، و 𝞴s هو طول الخطوة. يتحرك الروبوت الصغير ذو رقم فرود المنخفض ببطء أكبر وبثبات أعلى نظرًا لسيطرة قوى الجاذبية، بينما يشير رقم فرود المرتفع إلى أن قوى القصور الذاتي أكثر أهمية، مما يسمح بحركة أسرع وربما أقل ثباتًا. ^{[ 17 ]}

يُعدّ الزحف أحد أكثر أنواع الحركة السطحية شيوعًا. تختلف الآليات التي تستخدمها الروبوتات الدقيقة للزحف، ولكنها عادةً ما تتضمن حركة متزامنة لعدة أرجل أو زوائد. غالبًا ما تُستوحى آلية حركة هذه الروبوتات من حيوانات مثل الحشرات والزواحف والثدييات الصغيرة. ومن الأمثلة على الروبوتات الدقيقة الزاحفة روبوت "روبيتل" (RoBeetle). يزن هذا الروبوت المستقل 88 ملليغرامًا (ما يُعادل تقريبًا وزن ثلاث حبات أرز). ويعمل الروبوت عن طريق الاحتراق التحفيزي للميثانول. يعتمد تصميمه على عضلات دقيقة اصطناعية تحفيزية قابلة للتحكم مصنوعة من سبيكة النيكل والتيتانيوم والبلاتين، مع آلية تحكم ميكانيكية. ^{[ 18 ]}

تشمل الخيارات الأخرى لتحريك الروبوتات الدقيقة على السطح التحريك المغناطيسي والكهرومغناطيسي والكهرضغطية والكهروستاتيكية والبصرية.

صُممت الروبوتات الميكروية السابحة للعمل في ثلاثة أبعاد عبر بيئات سائلة، مثل السوائل البيولوجية أو الماء. ولتحقيق حركات فعالة، تُستقى استراتيجيات الحركة من الحيوانات المائية الصغيرة أو الكائنات الدقيقة، مثل الدفع بالأسواط، والسحب، والدفع الكيميائي، والدفع النفاث، وتموج الذيل. وللتحرك للأمام، يجب على الروبوتات الميكروية السابحة دفع الماء للخلف. ^{[ 17 ]}

تتحرك الروبوتات الدقيقة في نطاق أرقام رينولدز المنخفضة نظرًا لصغر حجمها وبطء سرعات تشغيلها، فضلًا عن لزوجة السوائل العالية التي تتحرك فيها. عند هذا المستوى، تتغلب قوى اللزوجة على قوى القصور الذاتي. يتطلب هذا نهجًا مختلفًا في التصميم مقارنةً بالسباحة على المستوى العياني لتحقيق حركات فعالة. كما يسمح رقم رينولدز المنخفض بحركات دقيقة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الطبية، ومهام التلاعب الدقيق، والرصد البيئي. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

قوى السحب اللزجة المهيمنة ( ستوكس ) T _السحب على الروبوت توازن قوة الدفع F _p الناتجة عن آلية السباحة.

 ${\displaystyle T=T_{(}drag)={\frac {bv}{m}}}$

حيث b هو معامل السحب اللزج، و v هي سرعة الحركة، و m هي كتلة الجسم. ^{[ 17 ]}

من الأمثلة على الروبوتات الدقيقة السابحة، الروبوت المغناطيسي الحلزوني الذي يتكون من ذيل حلزوني ورأس مغناطيسي. هذا التصميم مستوحى من حركة الأسواط لدى البكتيريا. بتطبيق عزم مغناطيسي على الروبوت الحلزوني ضمن مجال مغناطيسي دوار منخفض الشدة، يمكن تحويل الدوران إلى حركة خطية. هذا التحويل فعال للغاية في بيئات ذات أرقام رينولدز منخفضة نظرًا للبنية الحلزونية الفريدة للروبوت. بتغيير المجال المغناطيسي الخارجي، يمكن عكس اتجاه حركة الروبوت الحلزوني بسهولة. ^{[ 19 ]}

في حالة وجود الروبوتات الدقيقة عند سطح التماس بين الهواء والسائل، يمكنها الاستفادة من التوتر السطحي والقوى الناتجة عن الخاصية الشعرية. عند نقطة التقاء الهواء والسائل، وغالبًا الماء، يُمكن إنشاء سطح تماس قادر على تحمل وزن الروبوتات الدقيقة بفضل التوتر السطحي. يُولّد التماسك بين جزيئات السائل توترًا سطحيًا، والذي بدوره يُشكّل طبقة رقيقة فوق سطح الماء، مما يسمح للروبوتات الدقيقة بالطفو بدلًا من الغرق. من خلال هذه المفاهيم، يُمكن للروبوتات الدقيقة أداء وظائف حركية محددة، كالتسلق والمشي والتحليق والطفو وحتى القفز، وذلك باستكشاف خصائص سطح التماس بين الهواء والسائل. ^{[ 17 ] [ 20 ]}

بسبب التوتر السطحي، σ، تلعب قوة الطفو، Fb _، وقوة الانحناء، Fc _، الأدوار الأكثر أهمية، لا سيما في تحديد ما إذا كان الروبوت الصغير سيطفو أم يغرق على سطح السائل. ويمكن التعبير عن ذلك على النحو التالي:

${\displaystyle \sigma =F_{b}+F_{c}}$

يتم الحصول على F _b من خلال تكامل الضغط الهيدروستاتيكي على مساحة الجسم الملامسة للماء. في المقابل، يتم الحصول على F _c من خلال تكامل ضغط الانحناء على هذه المساحة، أو بدلاً من ذلك، المركبة الرأسية للتوتر السطحي.${\displaystyle \sigma \sin \theta }$على طول محيط التلامس. ^{[ 21 ]}

تستطيع الروبوتات الدقيقة أيضًا التنقل على سطح التماس بين الهواء والسائل من خلال استغلال تدرجات التوتر السطحي الموضعية. فعندما تتشكل تدرجات في التوتر السطحي (سواءً حراريًا أو كيميائيًا)، يتدفق السائل بشكل طبيعي من المناطق ذات التوتر السطحي المنخفض إلى المناطق ذات التوتر السطحي المرتفع، وهي ظاهرة سطحية تُعرف بتأثير مارانغوني . ويمكن تسخير هذا التدفق للدفع والتحكم النشطين. فعلى سبيل المثال، يمكن لمنصات حرارية شعرية تعمل بالضوء والليزر توليد تدرجات حرارية موضعية على سطح الماء لتحريك وتوجيه أجسام روبوتية دقيقة غير مقيدة، مما يُمكّن من التحكم في الأجسام الدقيقة العائمة. ^{[ 22 ]}

من الأمثلة على الروبوتات الدقيقة المتسلقة والسائرة التي تستخدم الحركة الهوائية السائلة، روبوت هارفارد المتحرك الدقيق ذو الالتصاق الكهربائي (HAMR-E). ^{[ 23 ]} صُمم نظام التحكم في HAMR-E لتمكين الروبوت من العمل بمرونة وسهولة في المناورة في البيئات الصعبة. تشمل ميزاته قدرته على الحركة على المستويات الأفقية والرأسية والمقلوبة، وهو ما يُسهّله نظام الالتصاق الكهربائي. يستخدم هذا النظام المجالات الكهربائية لتوليد جاذبية كهروستاتيكية، مما يجعل الروبوت يلتصق ويتحرك على أسطح مختلفة. ^{[ 24 ]} بفضل أربع وسادات قدم مرنة ذات التصاق كهربائي، يستطيع HAMR-E الإمساك والانزلاق بأمان على أنواع مختلفة من الركائز، بما في ذلك الزجاج والخشب والمعادن. ^{[ 23 ]} يتميز الروبوت بجسمه النحيف وقابليته الكاملة للتحريك، مما يُسهّل عليه أداء حركات معقدة والحفاظ على توازنه على أي سطح.

الروبوتات الدقيقة الطائرة هي أنظمة روبوتية مصغرة مصممة بدقة متناهية للعمل في الهواء من خلال محاكاة آليات طيران الحشرات والطيور. يتعين على هذه الروبوتات الدقيقة التغلب على تحديات الرفع والدفع والحركة، وهي تحديات يصعب تحقيقها على هذا النطاق الصغير، حيث يتطلب الأمر تعديل معظم النظريات الديناميكية الهوائية. يُعد الطيران النشط أكثر أنماط الحركة استهلاكًا للطاقة، إذ يجب على الروبوت الدقيق رفع وزن جسمه أثناء دفع نفسه للأمام. ^{[ 17 ]} ولتحقيق هذه الوظيفة، تحاكي هذه الروبوتات الدقيقة حركة أجنحة الحشرات وتولد تدفق الهواء اللازم لتوليد الرفع والدفع. يتم تشغيل الأجنحة المصغرة لهذه الروبوتات باستخدام مواد كهرضغطية ، مما يوفر تحكمًا أفضل في حركية الأجنحة وديناميكيات الطيران. ^{[ 25 ]}

لحساب القدرة الديناميكية الهوائية اللازمة للحفاظ على التحليق مع رفرفة الأجنحة، تُعبّر المعادلة الفيزيائية الأساسية على النحو التالي:

${\displaystyle mg=2*\rho *l^{2}*\phi *\upsilon _{i}^{2}}$

حيث m هي كتلة الجسم، وL هو طول الجناح، وΦ تمثل سعة رفرفة الجناح بالراديان، وρ تشير إلى كثافة الهواء، وV _i تمثل سرعة الهواء المستحثة المحيطة بالجسم، وهي نتيجة لحركات رفرفة الجناح ودورانه. توضح هذه المعادلة أن حشرة صغيرة أو جهازًا آليًا يجب أن يمنح الهواء المحيط زخمًا كافيًا لموازنة وزنه. ^{[ 26 ]}

من الأمثلة على الروبوتات الدقيقة الطائرة التي تستخدم الحركة الطائرة، روبوتا روبوبي وديلفلاي نيمبل، ^{[ 27 ] [ 28 ]} اللذان يحاكيان النحل وذباب الفاكهة في ديناميكيات الطيران على التوالي. ابتكرت جامعة هارفارد روبوت روبوبي، وهو روبوت مصغر يحاكي النحلة، ويقلع ويهبط مثلها، ويتحرك في الأماكن الضيقة. ويمكن استخدامه في عمليات التلقيح ذاتية القيادة وعمليات البحث عن الأشخاص والأشياء المفقودة. أما ديلفلاي نيمبل، الذي طورته جامعة دلفت للتكنولوجيا، فهو من أكثر المركبات الجوية الدقيقة رشاقة، حيث يمكنه محاكاة قدرة ذبابة الفاكهة على المناورة من خلال أداء حركات بهلوانية مختلفة بفضل وزنه الخفيف وآليات التحكم المتقدمة. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

أظهرت السباحات المجهرية الحيوية الهجينة، التي تتكون أساسًا من محركات بيولوجية متكاملة وحوامل حمولة اصطناعية، مؤخرًا إمكانات واعدة في تطبيقات التشخيص والعلاج طفيفة التوغل . ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} وقد استُخدمت كائنات دقيقة متنوعة، بما في ذلك البكتيريا، ^{[ 37 ] [ 38 ]} والطحالب الدقيقة ، ^{[ 39 ] [ 40 ]} والحيوانات المنوية ، ^{[ 41 ] [ 42 ]} لتصنيع سباحات مجهرية حيوية هجينة مختلفة ذات وظائف طبية متقدمة، مثل التحكم الذاتي باستخدام المحفزات البيئية للاستهداف، والتنقل عبر الفجوات الضيقة، والتراكم في المناطق النخرية من بيئات الأورام. ^{[ 43 ]} إن قابلية توجيه حوامل الشحن الاصطناعية بواسطة مجالات خارجية مطبقة بعيدة المدى، مثل المجالات الصوتية أو المغناطيسية، ^{[ 44 ] [ 45 ]} وسلوكيات التوجيه الذاتية للمحركات البيولوجية تجاه مختلف المحفزات البيئية، مثل عوامل الجذب الكيميائي ، ^{[ 46 ]} ودرجة الحموضة ، والأكسجين، ^{[ 47 ] [ 48 ]} تجعل السباحين المجهريين الحيويين الهجينين مرشحًا واعدًا لمجموعة واسعة من تطبيقات توصيل الشحنات الطبية النشطة. ^{[ 43 ] [ 30 ]}

على سبيل المثال، هناك روبوتات دقيقة متوافقة حيوياً تعتمد على الطحالب الدقيقة لتوصيل الأدوية النشط في الدماغ، ^{[ 29 ]} والرئتين والجهاز الهضمي، ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]} وروبوتات دقيقة بكتيرية مصممة مغناطيسياً من أجل "الاستهداف الدقيق" ^{[ 52 ]} لمكافحة السرطان ^{[ 53 ] [ 54 ]} والتي تم اختبارها جميعاً على الفئران.