אחד האתגרים המרכזיים בתחום המיקרו-רובוטיקה הוא חופש תנועה מוגבל: רבים מהמיקרו-רובוטים המסורתיים שפותחו עד היום מסוגלים לנוע רק על גבי משטח יחיד, בדומה למכונית הנוסעת על כביש - ללא יכולת לעבור מעל מכשולים או לעקוף אזורים שאינם נגישים לתנועה. אך כעת מחקר חדש של חוקרים מאוניברסיטת תל אביב מציג גישה המאפשרת למיקרו-רובוטים זעירים להשתחרר מהמגבלה הזו ולעבור באופן מבוקר בין משטחים שונים במרחב, כולל טיפוס מעל מכשולים, נגיעה סלקטיבית בקרקע והעברת מטענים בין אזורים נפרדים.
הסבר על הסרטון בסוף הכתבה
(צילום: אוניברסיטת תל אביב)
את המחקר הובילו הדוקטורנט עידו רכבוך, החוקר ד"ר סינווק פארק ופרופ' גלעד יוסיפון מבית הספר להנדסה מכנית ובית הספר להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם בכתב העתNature Communications.
בשל גודלם הזעיר של המיקרו-רובוטים (כ-10-30 מיקרון, בדומה לתא ביולוגי), לא ניתן לצייד אותם במנועים, סוללות או מערכות בקרה מובנות (on-board) כמו ברובוטים קונבנציונליים. לכן, הם מונעים ונשלטים באמצעות שדות חיצוניים, ונקראים גם "off-board robots". במסגרת המחקר, החוקרים פיתחו מערכת הנעה היברידית המשלבת שדות מגנטיים וחשמליים כדי לשלוט בחלקיקים מיקרוסקופיים המכונים "חלקיקי יאנוס" (Janus particles) - כדוריות זעירות שאחד מחצאיהן מצופה בשכבות מתכת, כאשר שכבה אחת מוליכה חשמלית ושכבה נוספת עשויה מחומר מגנטי.
השדות החשמליים והמגנטיים ממלאים תפקידים משלימים. השדה המגנטי מאפשר כיוון, גלגול והרמה של החלקיקים, בעוד שהשדה החשמלי אחראי להנעה, להצמדת הרובוט למשטחים וללכידה מבוקרת והפיכה של מטענים זעירים. השילוב ביניהם מאפשר לרובוט לעבור מהרצפה לתקרה של תא מיקרופלואידי ולכל משטח שנמצא ביניהן, לנוע בכל אחת מהשכבות, ובכך להרחיב את סביבת העבודה שלו מעבר למישור יחיד או משטח רציף.
החוקרים מכנים את שיטת התנועה החדשה "ניווט בשניים וחצי ממדים (2.5D)": הרובוט אינו מרחף בחופשיות כמו רחפן זעיר, אך הוא מסוגל לעבור בין משטחים שונים באופן מבוקר ולבצע מסלולים מורכבים במרחב התלת-ממדי הכוללים תנועה אופקית ואנכית. בניסויים שבוצעו במעבדה הצליחו המיקרו-רובוטים לחצות קירות ומכשולים מיקרוסקופיים, לנוע על גבי משטחים מוגבהים ולחזור לקרקע בהתאם למסלול מוגדר ונשלט עם בקרה בחוג סגור בזמן אמת.
מעבר ליכולות הניווט, הדגימו החוקרים גם הובלת מטענים זעירים. המיקרו-רובוטים אספו חלקיקי פלסטיק וחיידקי E. coli חיים, נשאו אותם מעל מחיצות פיזיות ושחררו אותם באזור יעד מוגדר. החיידקים נותרו חיים ופעילים גם לאחר ההובלה, באופן שמעיד על תאימות המערכת לשימוש בסביבה ביולוגית עדינה.
מימין לשמאל: פרופ' גלעד יוסיפון, הדוקטורנט עידו רכבוך וד"ר סינווק פארק
(צילום: אוניברסיטת תל אביב)
לדברי החוקרים, הטכנולוגיה עשויה בעתיד לשמש כפלטפורמה לביצוע משימות מדויקות בסביבות מיקרוסקופיות - החל מהובלת תאים וחומרים ביולוגיים במעבדות על שבב, דרך חישה וגירוי של תאים בודדים באופן ממוקד, ועד להרכבה של מבנים זעירים באופן אוטומטי. מעבר ליישומים האפשריים, המחקר מציע תפיסה חדשה בתחום המיקרו-רובוטיקה: במקום להסתפק בתנועה על גבי משטח רציף יחיד, מיקרו-רובוטים (ובפרט כאלו פשוטים יחסית לייצור כמו חלקיקי "היאנוס") יוכלו לפעול בסביבה מרובת שכבות ולבצע משימות מורכבות במרחב התלת-ממדי.
פרופ' גלעד יוסיפון אמר: "האתגר במיקרו-רובוטיקה הוא לא רק להניע רובוטים זעירים, אלא לנווט אותם באופן מבוקר ולהעניק להם חופש פעולה בסביבות מורכבות. במחקר הזה הצלחנו להראות כיצד שילוב חכם וסינרגטי של שדות מגנטיים וחשמליים מאפשר גם למיקרו-רובוטים בסיסיים לקבל יכולות ניווט וביצוע משימות שעד כה דרשו מערכות מורכבות יותר. היכולת לנוע במרחב מרובה שכבות פותחת אפשרויות חדשות ליישומי 'מעבדה על שבב', להנדסה ביו-רפואית ולפיתוח סוג חדש של מערכות מיקרו-רובוטיות".
-
בסרטון מוצגים שלושה קטעים קצרים:
(1) המיקרו-רובוט עובר מעל מכשול ע"י גלגול מגנטי צמוד לתקרה, ויורד אל הקרקע בצידו השני לאחר כיבוי השדה החשמלי.
(2) המיקרו-רובוט מטפס על גבי המכשול ומתגלגל על פני השטח שלו כדי להגיע למטרה.
(3) המיקרו-רובוט תופס ומעביר חיידקי E.coli מעל אותו מכשול, ומשחרר אותם מצדו השני
