φτιάξουν τον εαυτό τους!
Προτού εξηγήσουμε το γιατί θα επισημάνουμε τις εξίσου απρόσμενα αντιδιαμετρικές πηγές του αιτήματος για μια τέτοια εξέλιξη: το αίτημα «ελάχιστος όγκος αποθήκευσης, μέγιστος όγκος λειτουργίας» το έχουν τόσο ο μικρόκοσμος της εμβιομηχανικής νανοτεχνολογίας όσο και ο μεγάκοσμος των διαστημικών αποστολών.
Και οι δύο επιθυμούν έναν ελάχιστο αρχικό όγκο συσκευής (για εύκολη διείσδυση στο σώμα ο πρώτος, για ελάχιστο βάρος στην εκτόξευση ο δεύτερος), που όταν φθάσει στον τόπο λειτουργίας θα αυτοσυναρμολογείται σε πλήρη ανάπτυξη.
Ρομπο-μέλισσα με οριγκάμι
Το πρώτο δείγμα αυτοσυναρμολογούμενων ρομποτικών διατάξεων εμφανίστηκε στις 23 Απριλίου 2012 στον «Journal of Micromechanics and Microengineering»(http://m.iopscience.iop.org/0960-1317/22/5/055027/article). Ηταν η «Mobee», μια μικροσκοπική ρομποτική και ιπτάμενη μέλισσα, βάρους μόλις 90 χιλιοστών του γραμμαρίου, που κατασκεύασε μια ομάδα ερευνητών του Εργαστηρίου Μικρορομποτικής του αμερικανικού Πανεπιστημίου Harvard. To εντυπωσιακό της δημοσίευσης δεν ήταν η σύσταση ή οι δυνατότητες της ρομπο-μέλισσας αλλά το ότι αυτή μεταμορφωνόταν από δύο διαστάσεων τυπωμένο κύκλωμα σε «ιπτάμενο κουτάκι με φτερά». Η ιδέα είχε σαφώς προέλθει από τη γνωστή ιαπωνική τέχνη της χαρτοδιπλωτικής (origami) και τα παιδικά βιβλία με αναδιπλούμενα σχήματα. Η διαφορά ήταν βεβαίως στο «πολυσύνθετο χαρτί» που έφτιαξαν οι ερευνητές του Χάρβαρντ: τύπωσαν 18 στρώματα ανθρακονήματος, πλαστικής ταινίας από Kapton, νήματα τιτανίου, πλακίδια χαλκού, κεραμικές επιφάνειες και επιφάνεις με κόλλα - όλα σε μια πινακίδα που χαράχτηκε με λέιζερ. Κρυμμένοι μέσα σε όλα αυτά ήταν μικροσκοπικοί «μεντεσέδες» - ύψους μόλις 2,4 χιλιοστών - που εκκίνησαν τη διαδικασία ξεδιπλώματος και αυτοσυναρμολόγησης.
Συγκρατήστε μία ακόμη σημαντική λεπτομέρεια: η τεχνική αυτής της κατασκευής επιτρέπει τη μαζική και φθηνή παραγωγή μυριάδων τέτοιων μικρορομπότ, χωρίς τις καθυστερήσεις της συναρμολόγησης από ανθρώπινο χέρι.
«Mobee», το ιπτάμενο νανορομποτάκι του Χάρβαρντ
Τα χοροπηδηχτά κυβάκια
Στις αρχές του περυσινού Νοεμβρίου οι σύνεδροι του Διεθνούς Συνεδρίου για Εξυπνα Ρομπότ και Συστήματα (IROS 2013), στο Τόκιο, νόμισαν προς στιγμήν ότι έβλεπαν κάποιο παιδικό παιχνίδι: πλαστικά κυβάκια με μεταλλικές ακμές χοροπηδούσαν και ξαναενώνονταν μεταξύ τους, σαν να ήταν ζωντανά.
Η εργασία αυτή του Εργαστηρίου Επιστήμης Υπολογιστών και Τεχνητής Νοημοσύνης (CSAIL) του ΜΙΤ είχε ξεκινήσει δύο χρόνια πριν από την ιδέα ενός φοιτητή. Ο John Romanishin είχε προτείνει στη ρουμάνα καθηγήτριά του Daniela Rus ένα σχέδιο για «τμηματικά αυτοσυναρμολογούμενα ρομπότ». Εκείνη του είπε να το ξεχάσει, «γιατί είναι αδύνατον». Εκείνος επέμεινε στην υλοποίησή του και κατέληξε στους κύβους M-Block, που είχαν ενσωματωμένη μέσα τους μια ηλεκτροκινούμενη σβούρα και γύρω τους μαγνητικά άκρα. Η κίνηση της σβούρας έδινε την απαραίτητη ώθηση για χοροπήδημα (ελεγχόμενης κατεύθυνσης και απόστασης) και τα μαγνητάκια φρόντιζαν για τη σωστή προσκόλληση στη νέα θέση. Για να το καταλάβετε, μπορείτε να διαβάσετε αγγλιστί τη διατριβή τους (ppm.csail.mit.edu/sites/default/files/publications/M-Blocks,Momentum-driven,Magnetic Modular Robots.pdf) αλλά σίγουρα
Βέβαια τα μαγνητάκια δεν είναι στατικά αλλά περιστρεφόμενοι κύλινδροι που επιτρέπουν το αυτόματο ζευγάρωμα βόρειου - νότιου πόλου των μαγνητών. Επίσης η ηλεκτρική σβούρα που περιέχουν δεν είναι ό,τι κι ό,τι: φτάνει τις 20.000 περιστροφές το λεπτό και, όταν φρενάρει, μεταδίδει τη γωνιακή της ορμή στον περιβάλλοντα κύβο.
Η συναρμολόγηση ρομπότ μέσω κινούμενων κύβων δεν είναι ακριβώς πρωτοφανέρωτη ιδέα. Είναι μια θεωρία που οι κατασκευαστές ρομπότ παίδευαν επί χρόνια υπό την επωνυμία «sliding-cube model» (μοντέλο ολισθαίνοντος κύβου). Η απλότητα της λύσης όμως που έδωσε ο Romanishin ήταν απίστευτη. Σκεφθείτε ότι η προηγούμενη καλύτερη υλοποίηση τέτοιας κυβο-συναρμολόγησης απαιτούσε από κάθε ζευγάρι κύβων να εμπεριέχει 18 ξεχωριστούς κινητήρες. Επιπλέον, τα M-Block είναι «στατικώς σταθερά». Δηλαδή, ανά πάσα στιγμή μπορεί να παγώσει η συναρμολόγηση και οι κύβοι να μείνουν σταθεροί στην τρέχουσα θέση τους.
Η πιο απλή εφαρμογή αυτών των κυβο-ρομπότ είναι, κατά τον κατασκευαστή τους, η αυτοσυναρμολόγηση επίπλων. Αν όμως μικρύνουν αρκετά ώστε να γίνουν αδιόρατα δομικά στοιχεία, θα μπορούσαν να μεταμορφώνονται σε «επουλωτές κρίσιμων υποδομών» - όπως γεφυρών - ή «πράκτορες για ανθυγιεινές αποστολές» σε μολυσμένα περιβάλλοντα.
Το… ψητό ρομπότ
Η προαναφερθείσα επιτυχία του εργαστηρίου της Rus έκανε τα πανεπιστήμια Ζυρίχης και Τόκιο να αποζητήσουν τη συνεργασία του ΜΙΤ σε κάτι επίσης πρωτοποριακό. Το αποτέλεσμα της κοινής έρευνάς τους παρουσιάστηκε την Κυριακή 1η Ιουνίου 2014 στο Διεθνές Συνέδριο Ρομποτικής και Αυτοματισμού (ICRA 2014) στο Χονγκ Κονγκ μέσω δύο δημοσιεύσεων. Η πρώτη (βλ. http://ppm.csail.mit.edu/node/50) περιέγραφε μια διαδικασία όπου από ένα τρισδιάστατο ψηφιακό μοντέλο εξάγονταν πατρόν δύο διαστάσεων και τυπώνονταν σε πλαστικό. Τίποτε το φοβερό ως εδώ αλλά... όταν αυτά τα πατρόν θερμαίνονταν, αναδιπλώνονταν αυτόματα και σχημάτιζαν το αρχικό τρισδιάστατο μοντέλο!
Η δεύτερη δημοσίευση προχωρούσε ακόμη περισσότερο το θέμα περιγράφοντας το πώς μπορούν να κατασκευαστούν ακόμη και ηλεκτρονικά εξαρτήματα μέσω αυτής της «θερμο-διπλωτικής» τεχνικής. Και, για να γίνουν πιστευτοί, οι ερευνητές της ομάδας παρουσίασαν τα σχέδια κατασκευής αντιστάσεων, πυκνωτών, αισθητήρων, ακόμη και ηλεκτρομηχανικών ενεργοποιητών (actuators) για την κίνηση των ρομπότ. Δείτε το σχετικό βίντεο
Τα χοροπηδηχτά κυβάκια
Στις αρχές του περυσινού Νοεμβρίου οι σύνεδροι του Διεθνούς Συνεδρίου για Εξυπνα Ρομπότ και Συστήματα (IROS 2013), στο Τόκιο, νόμισαν προς στιγμήν ότι έβλεπαν κάποιο παιδικό παιχνίδι: πλαστικά κυβάκια με μεταλλικές ακμές χοροπηδούσαν και ξαναενώνονταν μεταξύ τους, σαν να ήταν ζωντανά.
Η εργασία αυτή του Εργαστηρίου Επιστήμης Υπολογιστών και Τεχνητής Νοημοσύνης (CSAIL) του ΜΙΤ είχε ξεκινήσει δύο χρόνια πριν από την ιδέα ενός φοιτητή. Ο John Romanishin είχε προτείνει στη ρουμάνα καθηγήτριά του Daniela Rus ένα σχέδιο για «τμηματικά αυτοσυναρμολογούμενα ρομπότ». Εκείνη του είπε να το ξεχάσει, «γιατί είναι αδύνατον». Εκείνος επέμεινε στην υλοποίησή του και κατέληξε στους κύβους M-Block, που είχαν ενσωματωμένη μέσα τους μια ηλεκτροκινούμενη σβούρα και γύρω τους μαγνητικά άκρα. Η κίνηση της σβούρας έδινε την απαραίτητη ώθηση για χοροπήδημα (ελεγχόμενης κατεύθυνσης και απόστασης) και τα μαγνητάκια φρόντιζαν για τη σωστή προσκόλληση στη νέα θέση. Για να το καταλάβετε, μπορείτε να διαβάσετε αγγλιστί τη διατριβή τους (ppm.csail.mit.edu/sites/default/files/publications/M-Blocks,Momentum-driven,Magnetic Modular Robots.pdf) αλλά σίγουρα
Βέβαια τα μαγνητάκια δεν είναι στατικά αλλά περιστρεφόμενοι κύλινδροι που επιτρέπουν το αυτόματο ζευγάρωμα βόρειου - νότιου πόλου των μαγνητών. Επίσης η ηλεκτρική σβούρα που περιέχουν δεν είναι ό,τι κι ό,τι: φτάνει τις 20.000 περιστροφές το λεπτό και, όταν φρενάρει, μεταδίδει τη γωνιακή της ορμή στον περιβάλλοντα κύβο.
Η συναρμολόγηση ρομπότ μέσω κινούμενων κύβων δεν είναι ακριβώς πρωτοφανέρωτη ιδέα. Είναι μια θεωρία που οι κατασκευαστές ρομπότ παίδευαν επί χρόνια υπό την επωνυμία «sliding-cube model» (μοντέλο ολισθαίνοντος κύβου). Η απλότητα της λύσης όμως που έδωσε ο Romanishin ήταν απίστευτη. Σκεφθείτε ότι η προηγούμενη καλύτερη υλοποίηση τέτοιας κυβο-συναρμολόγησης απαιτούσε από κάθε ζευγάρι κύβων να εμπεριέχει 18 ξεχωριστούς κινητήρες. Επιπλέον, τα M-Block είναι «στατικώς σταθερά». Δηλαδή, ανά πάσα στιγμή μπορεί να παγώσει η συναρμολόγηση και οι κύβοι να μείνουν σταθεροί στην τρέχουσα θέση τους.
Η πιο απλή εφαρμογή αυτών των κυβο-ρομπότ είναι, κατά τον κατασκευαστή τους, η αυτοσυναρμολόγηση επίπλων. Αν όμως μικρύνουν αρκετά ώστε να γίνουν αδιόρατα δομικά στοιχεία, θα μπορούσαν να μεταμορφώνονται σε «επουλωτές κρίσιμων υποδομών» - όπως γεφυρών - ή «πράκτορες για ανθυγιεινές αποστολές» σε μολυσμένα περιβάλλοντα.
Το… ψητό ρομπότ
Η προαναφερθείσα επιτυχία του εργαστηρίου της Rus έκανε τα πανεπιστήμια Ζυρίχης και Τόκιο να αποζητήσουν τη συνεργασία του ΜΙΤ σε κάτι επίσης πρωτοποριακό. Το αποτέλεσμα της κοινής έρευνάς τους παρουσιάστηκε την Κυριακή 1η Ιουνίου 2014 στο Διεθνές Συνέδριο Ρομποτικής και Αυτοματισμού (ICRA 2014) στο Χονγκ Κονγκ μέσω δύο δημοσιεύσεων. Η πρώτη (βλ. http://ppm.csail.mit.edu/node/50) περιέγραφε μια διαδικασία όπου από ένα τρισδιάστατο ψηφιακό μοντέλο εξάγονταν πατρόν δύο διαστάσεων και τυπώνονταν σε πλαστικό. Τίποτε το φοβερό ως εδώ αλλά... όταν αυτά τα πατρόν θερμαίνονταν, αναδιπλώνονταν αυτόματα και σχημάτιζαν το αρχικό τρισδιάστατο μοντέλο!
Η δεύτερη δημοσίευση προχωρούσε ακόμη περισσότερο το θέμα περιγράφοντας το πώς μπορούν να κατασκευαστούν ακόμη και ηλεκτρονικά εξαρτήματα μέσω αυτής της «θερμο-διπλωτικής» τεχνικής. Και, για να γίνουν πιστευτοί, οι ερευνητές της ομάδας παρουσίασαν τα σχέδια κατασκευής αντιστάσεων, πυκνωτών, αισθητήρων, ακόμη και ηλεκτρομηχανικών ενεργοποιητών (actuators) για την κίνηση των ρομπότ. Δείτε το σχετικό βίντεο
Αν αναρωτιέστε πώς μπαίνει η θερμοκρασία στο παιχνίδι του αυτο-διπλώματος, το πράγμα έχει ως εξής: στα σημεία που θέλουν το υλικό να «τσακίσει» ώστε να διπλωθεί, βάζουν δύο στρώσεις φύλλου πολυεστέρα και ανάμεσά τους μια στρώση χλωριούχου πολυβινυλίου (PVC). Οταν το υλικό μπει στον φούρνο και θερμανθεί, το PVC συρρικνώνεται και τα φύλλα του πολυεστέρα αρχίζουν να κινούνται. Με τον προσεκτικό εκ των προτέρων σχεδιασμό και έλεγχο του πάχους του PVC στις εκάστοτε «τσακίσεις», ο πολυεστέρας αποκτά τελικά το οσοδήποτε σύνθετο σχήμα.
Οσον αφορά τώρα τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα, ο πολυεστέρας τους είναι εμβαπτισμένος σε αλουμίνιο. Αλλά, όπως ομολογούν οι ερευνητές, δεν αρκεί το σωστό τελικό γεωμετρικό σχήμα για να λειτουργήσουν και αξιόπιστα: ο έλεγχος των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων απαιτεί προς το παρόν και την παρέμβαση ανθρώπινου χεριού. Για την πλήρη αυτοματοποίηση της κατασκευής τους εξελίσσονται τώρα νέοι αλγόριθμοι σχεδιασμού των φύλλων δισδιάστατου υλικού.
Ολη αυτή η νέα φιλοσοφία σχεδιασμού και παραγωγής συσκευών και ρομπότ εντάσσεται στο λεγόμενο τετραδιάστατο τύπωμα (4D printing). Αλλά ο απώτερος στόχος είναι ακόμη πιο υπερβατικός. «Το μεγάλο μας όνειρο» λέει η Daniela Rus «είναι να φτιάξουμε ένα αυτόματο πρόγραμμα που θα του λες "φτιάξε μου ένα ρομπότ ικανό να παίζει με τη γάτα μου" και από αυτή την υψηλού επιπέδου προδιαγραφή θα σου παράγει πραγματικά μια συσκευή που λειτουργεί».
ΙΑΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ
Διψασμένα νανοεμφυτεύματα
Στιγμιότυπα από τη διάπλαση νανοεμφυτεύματος μέσω ελεγχόμενου ποτίσματος
Οι απαιτήσεις της εμβιομηχανικής (bio-engineering) για συσκευές που ξεδιπλώνουν αυτόματα είναι βέβαια σε μικροσκοπική κλίμακα. Φαντασθείτε ότι το ζητούμενο είναι να βάζεις κάτι σε μια σύριγγα, να το εισάγεις στο σώμα του ασθενούς με ένεση και, όταν φθάσει στο όργανο-στόχος (πιθανότητα ελεγχόμενο μαγνητικά ή από ραδιοσήμα), να μπορείς να «του πεις εγέρθητι!» Πώς όμως «το λες αυτό» σε κάτι που το μέγεθός του δεν επιτρέπει να το προικίσεις με αληθινά ελατήρια και μεντεσέδες;
Την Τρίτη 3 Ιουνίου 2014 το Ινστιτούτο Νανοτεχνολογίας του ολλανδικού Πανεπιστημίου Twente δημοσίευσε τη λύση στην «Journal of Applied Physics»(scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/115/21/10.1063/1.4878460). Είναι μια λύση απίστευτα απλή, βασιζόμενη στο κοινότερο των υλικών: το νερό! «Το νερό βρίσκεται παντού, είναι βιοσυμβατό, φθηνό και εύκολο να το χειριστείς» δήλωσε ο εφευρέτης μεταπτυχιακός φοιτητής Antoine Legrain.
Για να διασφαλίσουν το τελικό τρισδιάστατο σχήμα του εμφυτεύματος ο Legrain και οι συνεργάτες του έφτιαξαν ειδικό πρόγραμμα που παρήγαγε τα δισδιάστατα πατρόν από το τρισδιάστατο μοντέλο. Επειτα εκτύπωσαν τα πατρόν σε επιφάνεια σιλικόνης. Για να δημιουργήσουν τις ακμές κάμψης (τους μεντεσέδες φέρ' ειπείν) αφαίρεσαν στα συγκεκριμένα σημεία υλικό προτού εναποθέσουν μια νέα στρώση σιλικόνης. Αλλά για να «σηκώσουν» τις επιφάνειες στην τρίτη διάσταση άνοιξαν ένα μικροσκοπικό κανάλι στη βάση της σιλικόνης. Από εκεί διοχέτευσαν με σύριγγα νερό. Οταν μπήκαν τα μόρια του νερού στη διάταξη, κόλλησαν μεταξύ τους και με τη σιλικόνη δημιουργώντας επιφανειακή τάση που τελικά τράβηξε τα φύλλα της σιλικόνης και τα «τσάκισε» στα σημεία που έλειπε υλικό.
Την όλη «μαγική» διαδικασία μπορείτε να παρακολουθήσετε σε βίντεο:
Οι απαιτήσεις της εμβιομηχανικής (bio-engineering) για συσκευές που ξεδιπλώνουν αυτόματα είναι βέβαια σε μικροσκοπική κλίμακα. Φαντασθείτε ότι το ζητούμενο είναι να βάζεις κάτι σε μια σύριγγα, να το εισάγεις στο σώμα του ασθενούς με ένεση και, όταν φθάσει στο όργανο-στόχος (πιθανότητα ελεγχόμενο μαγνητικά ή από ραδιοσήμα), να μπορείς να «του πεις εγέρθητι!» Πώς όμως «το λες αυτό» σε κάτι που το μέγεθός του δεν επιτρέπει να το προικίσεις με αληθινά ελατήρια και μεντεσέδες;
Την Τρίτη 3 Ιουνίου 2014 το Ινστιτούτο Νανοτεχνολογίας του ολλανδικού Πανεπιστημίου Twente δημοσίευσε τη λύση στην «Journal of Applied Physics»(scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/115/21/10.1063/1.4878460). Είναι μια λύση απίστευτα απλή, βασιζόμενη στο κοινότερο των υλικών: το νερό! «Το νερό βρίσκεται παντού, είναι βιοσυμβατό, φθηνό και εύκολο να το χειριστείς» δήλωσε ο εφευρέτης μεταπτυχιακός φοιτητής Antoine Legrain.
Για να διασφαλίσουν το τελικό τρισδιάστατο σχήμα του εμφυτεύματος ο Legrain και οι συνεργάτες του έφτιαξαν ειδικό πρόγραμμα που παρήγαγε τα δισδιάστατα πατρόν από το τρισδιάστατο μοντέλο. Επειτα εκτύπωσαν τα πατρόν σε επιφάνεια σιλικόνης. Για να δημιουργήσουν τις ακμές κάμψης (τους μεντεσέδες φέρ' ειπείν) αφαίρεσαν στα συγκεκριμένα σημεία υλικό προτού εναποθέσουν μια νέα στρώση σιλικόνης. Αλλά για να «σηκώσουν» τις επιφάνειες στην τρίτη διάσταση άνοιξαν ένα μικροσκοπικό κανάλι στη βάση της σιλικόνης. Από εκεί διοχέτευσαν με σύριγγα νερό. Οταν μπήκαν τα μόρια του νερού στη διάταξη, κόλλησαν μεταξύ τους και με τη σιλικόνη δημιουργώντας επιφανειακή τάση που τελικά τράβηξε τα φύλλα της σιλικόνης και τα «τσάκισε» στα σημεία που έλειπε υλικό.
Την όλη «μαγική» διαδικασία μπορείτε να παρακολουθήσετε σε βίντεο:
Σημειώστε ότι η χρήση νερού για δίπλωμα σιλικόνης έχει ξαναγίνει στο παρελθόν, αλλά ποτέ δεν είχε γίνει εφικτός ο ακριβής έλεγχος του μεγέθους των σταγόνων. Τώρα ο Legrain ετοιμάζεται να φτιάξει τον πρώτο υδατο-αναδιπλούμενο βιοαισθητήρα. Ισως μελλοντικά μας φτιάξει και... βηματοδότη-origami!
tovima.gr
http://thecuriosityofcat.blogspot.gr
tovima.gr
http://thecuriosityofcat.blogspot.gr
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου