ساختار رباتیک الهام‌گرفته از ستاره دریایی که خم می‌شود، ترمیم می‌کند و به خاطر می‌سپارد

پژوهشگران موفق به توسعه‌ی ساختاری تغییر شکل‌دهنده الهام‌گرفته از ستاره دریایی شده‌اند که انعطاف‌پذیر ولی در عین حال پایدار می‌باشد.

طبق گفته‌های پژوهشگران، این ساختار ویژگی‌های ۴D دارد و می‌تواند کاربردهای مختلفی در رباتیک، هوانوردی و دستگاه‌های پزشکی ارائه دهد.

رامان، دانشجوی دکترای گروه ساختارهای زیستی و بیومیمتیک در Hochschul Bremen – دانشگاه‌های علمی کاربردی شهر بریمن، آلمان، به Interesting Engineering گفت که ستاره دریایی توانایی قابل‌توجهی در نگهداری از خود در هر نوع وضعیت بدنی دارند.

او به IE گفت: “کلید این توانایی در اسکلت پیچیده آنها، یک شبکه پیچیده از سلول‌های مختلف است.”

رمزگشایی از ساختار پیچیده ستاره دریایی

با استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری پیشرفته (اسکن‌های X-ray CT)، مدل‌سازی محاسباتی (شبیه‌سازی‌های چندجسمه‌ای و عنصر محدود)، و تجزیه و تحلیل تصاویر دقیق، رامان و همکارانش نقش‌های مختلف سلول‌ها و چگونگی تعامل آنها را رمزگشایی کردند.

رامان در بیانیه‌ای گفت: “هدف ما این بود که رازهای اسکلت پیچیده آنها را کشف کرده و این اصول را به ماده‌ای نوآورانه با ویژگی‌های شگفت‌انگیز مشابه ترجمه کنیم.”

این فرآیند به آنها امکان داد که برای اولین بار ساختار 3D پیچیده اسکلت ستاره دریایی و ساختار فوق‌ریز استخوان‌های کوچک آنها را نشان دهند.

به گفته این بیانیه مطبوعاتی، استخوان‌های کوچک، میکروساختارهای کلسیتی در داخل بدن ستاره دریایی هستند که توسط الیاف کلاژنی به یک شبکه متصل شده‌اند تا اندواسکلت را تشکیل دهند. این ساختار قوی ولی ساده به آنها امکان می‌دهد که با حداقل مصرف انرژی انواع مختلف حالت‌های بدنی را حفظ کنند.

برای ترجمه این طراحی بیولوژیکی هوشمندانه به ماده مهندسی جدید، آنها یک شبکه ترموپلاستیک چاپ سه‌بعدی ایجاد کردند که استخوان‌ها و بافت کلاژن را تقلید می‌کرد و یک ژاکت لاستیکی سیلیکونی یا پوسته به آن افزودند.

رامان افزود: “این ترکیب منحصر به فرد به این ساختار الهام‌گرفته از ستاره دریایی ویژگی‌هایی مانند قفل خودکار، خم شدن مداوم، ترمیم خودکار و حافظه شکلی می‌دهد.”

ویژگی‌های منحصر به فرد ساختار تغییر شکل‌دهنده

بر خلاف ساختارهای تغییر شکل‌دهنده سنتی که با قطعات و اتصالات محکم ساخته شده‌اند، آنها از طراحی ستاره دریایی بهره بردند تا ساختار آنها به‌طور پیوسته و هموار، حتی به خمیدگی‌های پیچیده، خم شود.

پژوهشگران حتی توانایی ترمیم خودکار ستاره دریایی را بازتولید کردند. اگر ماده آسیب ببیند، بالاتر از نقطه ذوب ترموپلاستیک گرم شده و به‌طور مؤثر مشکل را تعمیر می‌کند، رامان به IE گفت.

در نهایت، نمونه اولیه دست‌شکل امکان حرکت بازشدن پیچیده را بدون نیاز به موتورها خارجی فراهم می‌سازد.

رامان می‌گوید: “این یک گام مهم به سمت تغییر شکل انرژی-کارآمد است.”

با استفاده از ستاره دریایی به عنوان نقطه شروع و توجه به عنصر گرما، تیم در حال تصور استفاده از این فناوری در خودروها است. صندلی‌ها می‌توانند شکل خود را با بدن فرد انطباق دهند.

این فناوری حتی می‌تواند ابزارهای جراحی را به‌روزرسانی کند و به این ترتیب آسیب‌های جراحی را کاهش دهد. این ابزارها می‌توانند به‌طور حداقل تجاوزآمیز وارد شده و سپس در سایت جراحی گسترش یابند و تغییر شکل دهند.

“یک کاتتر می‌تواند قطر خود را تغییر داده و در رگ‌های خونی پیچیده حرکت کند.”

سایر کاربردها شامل پروتزها، گچ‌ها و اسپلینت‌های سنتی است که با گرما تغییر شکل داده و بدین ترتیب قابل بازیافت نیز هستند. قفل خودکار، حفظ شکل و انعطاف‌پذیری آن همچنین برای حمل‌و‌نقل ایده‌آل می‌سازد با قابلیت انقباض و انبساط.

این فناوری حتی می‌تواند ساختارهای فضاپیما و پناهگاه‌های اضطراری را با ویژگی‌های ترمیم خودکار خود “انقلاب” کند. این می‌تواند به نسل بعدی روبات‌ها نیز منجر شود.

“به عنوان مثال، یک ربات جستجو و نجات می‌تواند از فضاهای تنگ عبور کرده و به افراد گرفتار برسد، درحالی‌که یک بازوی رباتیک می‌تواند به طور ملایم اشیاء شکننده را گیرد و جابجا کند بدون اینکه به آنها آسیبی بزند.”

گام بعدی برای تیم، دسترس‌پذیر و عملی کردن این ساختار تغییر شکل‌دهنده الهام‌گرفته از ستاره دریایی برای استفاده روزمره است.

“تصور کنید اشیاء خانگی که می‌توانند با نیاز‌های شما تطبیق یابند: مبلمانی که برای فعالیت‌های مختلف خود را بازتنظیم می‌کند یا حتی اسباب‌بازی‌هایی که به اشکال مختلف تغییر شکل می‌دهند و امکان بازی بی‌پایان را فراهم می‌کنند. پتانسیل این ماده الهام‌گرفته از زیست برای بهبود زندگی روزمره ما بسیار زیاد است. ما آینده‌ای را تصور می‌کنیم که در آن اشیاء قابل تطبیق، خودترمیم‌کننده و شکل‌پذیر معمول، راحت، شخصی‌سازی شده و پایدار هستند.”

این مطالعه تحت بررسی با Nature Scientific Reports است. این پژوهش در کنفرانس سالانه Society for Experimental Biology در پراگ ارائه می‌شود.