الیاف رباتیک جدید: خودترمیم، نوری و مغناطیسی!

توسعه الیاف انعطاف‌پذیر با ویژگی‌های خودترمیمی و نوری

یک تیم از دانشمندان بین‌رشته‌ای از دانشکده مهندسی و علم مواد در دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) الیاف انعطاف‌پذیری با ویژگی‌های خودترمیمی، نورافشانی و مغناطیسی توسعه داده‌اند. الیاف SHINE که به‌صورت هیدروژل پوشش‌دار و نیکل هسته‌ای الکترولومینسنت طراحی شده‌اند، قابلیت خم شدن دارند، نور بسیار قابل مشاهده‌ای ساطع می‌کنند و می‌توانند به‌طور خودکار پس از بریدن تقریباً ۱۰۰ درصد از روشنایی اولیه خود را بازگردانند. علاوه بر این، این الیاف می‌توانند به‌صورت بی‌سیم تغذیه شوند و با استفاده از نیروهای مغناطیسی به‌طور فیزیکی دستکاری شوند. با ترکیب چندین ویژگی مفید در یک دستگاه، این الیاف کاربردهای بالقوه‌ای به عنوان الیاف رباتیک نرم نورافشان و نمایشگرهای تعاملی دارند. همچنین می‌توانند در پارچه‌های هوشمند بافته شوند.

دکتر بنجامین تی، استاد همکار و محقق اصلی این مطالعه، گفت: “اکثر اطلاعات دیجیتال امروزه عمدتاً از طریق دستگاه‌های نورافشان منتقل می‌شود. ما به شدت به توسعه مواد پایدار که بتوانند نور ساطع کنند و بررسی فرم‌های جدیدی مانند الیاف که می‌تواند سناریوهای کاربردی را گسترش دهد، علاقه‌مند هستیم، به عنوان مثال، پارچه‌های هوشمند. یکی از راه‌های مهندسی دستگاه‌های نورافشان پایدار، ایجاد قابلیت خودترمیمی در آن‌هاست، درست مانند بافت‌های بیولوژیکی مانند پوست.”

تحقیقات این تیم که در همکاری با موسسه نوآوری و فناوری سلامت (iHealthtech) در NUS انجام شده، در تاریخ ۳ دسامبر ۲۰۲۴ در نشریه Nature Communications منتشر شد.

نوآوری چندمنظوره در یک دستگاه

الیاف نورافشان به دلیل پتانسیل خود برای تکمیل فناوری‌های موجود در چندین حوزه، از جمله رباتیک نرم، الکترونیک پوشیدنی و پارچه‌های هوشمند، به یک حوزه مورد توجه تبدیل شده‌اند. به عنوان مثال، ارائه قابلیت‌هایی مانند نورپردازی دینامیک، نمایشگرهای تعاملی و سیگنال‌دهی نوری، در حالی که انعطاف‌پذیری و سازگاری را فراهم می‌کنند، می‌تواند تعاملات انسان و ربات را با ایجاد پاسخگویی و شهود بیشتر بهبود بخشد. با این حال، استفاده از چنین الیافی اغلب به دلیل آسیب‌پذیری فیزیکی و دشواری در ادغام چندین ویژگی در یک دستگاه واحد، بدون افزایش پیچیدگی یا نیاز به انرژی بیشتر، محدود می‌شود.

الیاف SHINE تیم تحقیقاتی NUS این چالش‌ها را با ترکیب نورافشانی، خودترمیمی و عملگر مغناطیسی در یک دستگاه مقیاس‌پذیر حل می‌کند. در مقایسه با الیاف نورافشان موجود در بازار که نمی‌توانند پس از آسیب خودترمیم شوند یا به‌طور فیزیکی دستکاری شوند، الیاف SHINE یک جایگزین کارآمدتر، بادوام‌تر و چندمنظوره ارائه می‌دهند.

معرفی فیبر SHINE: نوآوری در فناوری نوری و رباتیک نرم

فیبر SHINE بر اساس طراحی کواکسیال ساخته شده است که شامل یک هسته نیکل برای پاسخ‌دهی مغناطیسی، یک لایه الکترولومینسانس مبتنی بر سولفید روی برای انتشار نور و یک الکترود هیدروژل برای شفافیت است. با استفاده از یک فرآیند ژل‌سازی القایی قابل مقیاس، تیم تحقیقاتی فیبرهایی به طول حداکثر ۵.۵ متر تولید کرد که حتی پس از نزدیک به یک سال نگهداری در فضای باز، عملکرد خود را حفظ کردند.

استاد همکار تی در این باره گفت: “برای اطمینان از دید واضح در شرایط نورپردازی روشن داخلی، معمولاً روشنایی حداقل ۳۰۰ تا ۵۰۰ cd/m² توصیه می‌شود.” او افزود: “فیبر SHINE ما دارای روشنایی بی‌سابقه‌ای به میزان ۱۰۶۸ cd/m² است که به راحتی از این آستانه فراتر می‌رود و آن را در محیط‌های داخلی با نور خوب، به‌خوبی قابل مشاهده می‌سازد.”

لایه هیدروژل فیبر به‌طور خودکار از طریق بازسازی پیوندهای شیمیایی در شرایط محیطی ترمیم می‌شود، در حالی که هسته نیکل و لایه الکترولومینسانس از طریق تعاملات دوقطبی ناشی از حرارت در دمای ۵۰ درجه سانتی‌گراد، یکپارچگی ساختاری و عملکردی خود را بازیابی می‌کنند. استاد همکار تی افزود: “مهم‌تر از همه، فرآیند بازیابی بیش از ۹۸ درصد از روشنایی اصلی فیبر را بازمی‌گرداند و اطمینان می‌دهد که می‌تواند پس از تعمیر، تنش‌های مکانیکی را تحمل کند.” او همچنین گفت: “این قابلیت از استفاده مجدد فیبرهای آسیب‌دیده و سپس خودترمیم‌شده پشتیبانی می‌کند و این اختراع را در درازمدت بسیار پایدارتر می‌سازد.”

عملکرد مغناطیسی و کاربردهای رباتیک نرم

فیبر SHINE همچنین دارای عملگر مغناطیسی است که به‌واسطه هسته نیکل خود امکان‌پذیر است. این ویژگی به فیبر اجازه می‌دهد تا با آهنرباهای خارجی دستکاری شود. دکتر فو شومئی، نویسنده اول مقاله، در این باره گفت: “این یک ویژگی جالب است زیرا امکان کاربردهایی مانند فیبرهای رباتیک نرم نورانی را فراهم می‌کند که قادر به حرکت در فضاهای تنگ، انجام حرکات پیچیده و سیگنال‌دهی نوری در زمان واقعی هستند.”

تعاملات جدید انسان-ربات

فیبر SHINE می‌تواند در بافت‌های هوشمند که نور منتشر می‌کنند، بافته یا به‌کار گرفته شود و به‌راحتی پس از برش خودترمیم شود، که به فناوری پوشیدنی دوام و کارایی می‌بخشد. با قابلیت عملگر مغناطیسی ذاتی خود، فیبر همچنین می‌تواند به‌عنوان یک ربات نرم عمل کند که قادر به انتشار نور، خودترمیمی، ناوبری در فضاهای محدود و سیگنال‌دهی نوری حتی پس از قطع کامل است. علاوه بر این، فیبر می‌تواند در نمایشگرهای تعاملی استفاده شود، جایی که مغناطیس آن اجازه تغییر الگوهای دینامیک را می‌دهد که تعامل نوری و سیگنال‌دهی در تاریکی را تسهیل می‌کند.

به‌عنوان گام بعدی، تیم تحقیقاتی قصد دارد دقت عملگر مغناطیسی فیبر را بهبود بخشد تا از کاربردهای رباتیک دقیق‌تر پشتیبانی کند. آن‌ها همچنین در حال بررسی امکان بافتن قابلیت‌های حسگری — مانند توانایی تشخیص دما و رطوبت — در بافت‌های نورانی ساخته شده به‌طور کامل از فیبرهای SHINE هستند.