الروبوتات المجهرية... فئة جديدة من الآلات أصغر من حبة الرمل تستشعر وتفكر وتتصرف
© Photo / /unsplash/Logan Voss
تابعنا عبر
كشف دراسة حديثة عن الجيل الجديد من الروبوتات المجهرية، تحقق تكاملا في الحوسبة والاستشعار والذاكرة والحركة والتواصل ضمن جسم أصغر من حبة الرمل، من خلال دمج حاسوب رقمي كامل ومحركات على شريحة لا يتجاوز قطرها بضع مئات من الميكرومترات، وهي غير مكلفة ويُمكن إعادة برمجتها مرارا وتكرارا ونشرها في أسراب كبيرة.
يُقدم العمل المنجز في الدراسة، روبوتات مجهرية لا تقتصر وظيفتها على الحركة فحسب، بل تُشغل برامج مُحددة رقميا، وتستشعر بيئتها، وتُعدل سلوكها تلقائيا استجابة لذلك.
على عكس العديد من الأجهزة السابقة التي كانت تعتمد على مجالات خارجية للتحكم، تحتوي هذه الروبوتات على منطق داخلي يحدد كيفية عملها باستخدام ذاكرة صغيرة ومعالج مُصمم خصيصا، حسب الدراسة المنشورة في مجلة "ساينس" العلمية، ونورد في مايلي أهم ماجاء فيها.
تقلص المنصة المقترحة حجم الروبوتات القابلة للبرمجة والمستقلة بنحو أربعة أضعاف مقارنة بالأنظمة السابقة ذات القدرات المماثلة. كما يُساهم نقل العمليات الحسابية إلى الروبوت نفسه في خفض التكاليف والنفقات التشغيلية، حيث يُمكن تزويد كل وحدة بالطاقة وبرمجتها ضوئيًا باستخدام مصادر ضوئية بسيطة بدلا من البنية التحتية المخبرية الضخمة.
29 ديسمبر 2025, 20:15 GMT
بنية وحوسبة على مستوى الشريحة
يُصنع كل روبوت باستخدام تقنية CMOS بدقة 55 نانومتر، ويشغل مساحة تبلغ حوالي 210 × 340 ميكرومترا، بسماكة تقارب 50 ميكرومترا، ما يجعل استهلاكه للطاقة وحجمه الفيزيائي قريبا من حجم الكائنات وحيدة الخلية. وقد قام المصممون بتركيب خلايا ضوئية لتوليد الطاقة، ومستشعرات حرارة، ومحركات تشغيل، ومستقبل ضوئي، ومعالج، وذاكرة محدودة ولكنها كافية على هذه الشريحة الصغيرة.
للحفاظ على استهلاك الطاقة ضمن حدود 100 نانوواط تقريبا، تعمل الدوائر بمنطق رقمي تحت العتبة، وتعتمد على ترانزستورات ذات عتبة عالية لكبح التسريب. يستخدم المعالج مجموعة تعليمات معقدة صغيرة الحجم، تتكون من كلمة تعليمات من 11 بت، وذاكرة تعليمات من 32 مدخلا، وأربعة مسجلات من 8 بت، وذاكرة بيانات من 16 مدخلا، ما يوازن بين تقليل المساحة وضرورة التحكم واتخاذ القرارات في الوقت الحقيقي.
تنقسم تعليمات المعالج بين عمليات البيانات التقليدية وأوامر خاصة بالروبوت. تشمل التعليمات القياسية العمليات الحسابية (الجمع، الطرح)، والمنطق الثنائي (AND/OR)، والإزاحات، والتنقل بين المسجلات، وعمليات التحميل/التخزين بين المسجلات والذاكرة، بالإضافة إلى القفزات والتفرعات الشرطية للتحكم في تدفق البيانات.
وتُغلف الأوامر الخاصة بالروبوت عمليات فيزيائية معقدة في تعليمات منفردة: أمر الحركة (mot) يُرسل تسلسلات جهد مُبرمجة إلى المُشغلات، وأمر الاستشعار (ts) يقيس درجة الحرارة المحيطة ويكتبها في الذاكرة، وأمر الاتصال (wav) يُشفر البيانات المُخزنة باستخدام خوارزمية مانشستر ويرسلها عن طريق تعديل المُشغلات.
تستغرق كل تعليمة من هذه التعليمات عدة دورات ساعة داخليا، لكنها تظهر للمبرمج كخطوة واحدة، ما يُقلل بشكل فعال من التسلسلات التي كانت ستتطلب عشرات العمليات منخفضة المستوى، وبالتالي يُوفر الذاكرة.
الطاقة والذاكرة والبرمجة الضوئية
نظرا لأن الذاكرة التقليدية عالية الكثافة ستُهدر الكثير من التيار عند هذا الحجم، فإن التصميم يقبل مساحة صغيرة للبرنامج والبيانات، ويُعوض ذلك ببرمجة تدريجية متعددة الخطوات من محطة قاعدة خارجية. تُرسل البرامج ضوئيا: طول موجي ضوئي واحد يُشغل الروبوت عبر خلايا ضوئية مُدمجة، بينما يُشفر طول موجي آخر البيانات كسلسلة من النبضات الضوئية.
كما يُفعّل تسلسل ومضات ضوئية برمز مرور الروبوت في وضع البرمجة، ويحميه من إعادة كتابة الذاكرة بفعل التغيرات البيئية العشوائية. ويُستخدم نفس الرابط البصري لتحميل برنامج تهيئة، لضبط المحركات، ثم لبث برامج خاصة بالمهام، ما يُمكّن من إعادة التهيئة بشكل متكرر دون أي اتصال مادي.
20 سبتمبر 2025, 14:32 GMT
الحركة الكهروكينيتيكية على المستوى الميكروي
من أجل الحركة والدفع، تستخدم الروبوتات التحريك الكهروكينيتيكي، حيث يمر تيار صغير بين أقطاب بلاتينية منقوشة أثناء غمرها في سائل. يُحرك المجال الكهربائي الناتج الأيونات في المحلول المحيط، والتي بدورها تسحب السائل وتُولد تدفقا صافيا يدفع الروبوت، بسرعات تتناسب مع المجال المُطبق وتتوافق مع استهلاك طاقة يبلغ حوالي 60 نانوواط.
ويُتيح تصميم رباعي الأقطاب 14 حالة حركة متميزة تحت تحكم رقمي، تشمل الانتقال على طول محاور مختلفة، والدوران، والانحناءات، ما يُعطي تحكما كاملا في الحركة في مستوى ثنائي الأبعاد. من خلال تسلسل حالات المشغل عبر البرنامج الموجود على متنها، يمكن دمج هذه العناصر الأولية في مسارات عشوائية، ويمكن معالجة الروبوتات المختلفة بشكل فردي وإعطاؤها مسارات فريدة عبر رموز مرور مميزة.
من التصنيع إلى الروبوتات العائمة الحرة
يتم إنتاج الروبوتات بالكامل من خلال المعالجة الحجرية المتوافقة مع مسابك أشباه الموصلات التجارية. بعد الانتهاء من دوائر CMOS، يتم تخفيف الجانب الخلفي للرقاقة إلى حوالي 50 ميكرومتر، وتتم إضافة طبقات من البلاتين للأقطاب الكهربائية الحركية، ويحدد حدود الأكسيد الخطوط العريضة النهائية لكل روبوت صغير.
يؤدي النقش الأيوني التفاعلي العميق عبر الرقاقة، متبوعا بإزالة انتقائية للطبقات المعدنية الداعمة، إلى إطلاق أعداد كبيرة من الروبوتات الفردية في المحلول بالتوازي، مع إنتاجية تتجاوز 50%. تعمل استراتيجية الإنتاج الضخم هذه، جنبا إلى جنب مع عمليات السبك القياسية، على خفض التكاليف المتوقعة لكل روبوت بشكل كبير جدا.
30 أكتوبر 2025, 20:56 GMT
الاستشعار والتغذية الراجعة والسلوك
يوفر مستشعر درجة الحرارة قراءات رقمية بدقة تبلغ حوالي 0.3 درجة مئوية في حجم أقل من 1 ملليمتر مكعب، ما يتفوق على العديد من موازين الحرارة الرقمية المصغرة الموجودة في المفاضلات بين الحجم والدقة. ومن خلال مقارنة درجات الحرارة المقاسة مع العتبات الداخلية أو القراءات السابقة، يمكن للروبوتات تعديل حركتها بشكل مستقل في حلقة مغلقة.
تشمل السلوكيات الموضحة الإبلاغ عن درجة الحرارة عن طريق تشفير القراءات كنمط حركة معدل بمانشستر وتسلق التدرجات الحرارية عن طريق التبديل بين حركات البحث الانحناء والتحول الموضعي اعتمادًا على ما إذا كانت البيئة تزداد دفئًا أو برودة. توضح هذه الأمثلة أن الروبوتات يمكنها ربط الإدراك مباشرة بالحركة من خلال برامج موجودة على متنها، دون الحاجة إلى تحكم خارجي في الوقت الفعلي.
التطبيقات المحتملة والاتجاهات المستقبلية
كون الروبوتات قادرة على العمل في بيئات الموائع الدقيقة، والتناسب مع المساحات دون المليمترية، والإبلاغ عن درجة الحرارة بدقة، فإن مثل هذه الروبوتات تعد مجسات واعدة لتجارب علوم الحياة، بما في ذلك مراقبة الظروف الحرارية المحلية حول الخلايا، أو داخل الهياكل البيولوجية الصغيرة. كما أن قدرتها على إعادة برمجتها بصريا وتشغيلها بالضوء تشير إلى إمكانية نشرها بأعداد كبيرة مع الحد الأدنى من الأجهزة الخارجية، ما يتيح إجراء قياسات موزعة أو مهام تعاونية.
إن التقدم المستقبلي في المحركات، ونقل الطاقة، والذاكرة ذات الكثافة الأعلى منخفضة التسرب، يمكن أن يسمح ببرامج أكثر تعقيدا، وحركة أسرع، ومجموعات أجهزة استشعار أكثر ثراءً، وتوسيع نطاق استخدامها ليشمل توصيل الأدوية المستهدفة، والتشخيص في الجسم الحي، والتصنيع النانوي.
حتى في هذه المرحلة المبكرة، فإن دمج جهاز كمبيوتر رقمي كامل وأجهزة استشعار ومشغلات واتصالات في شريحة أصغر من حبة الرمل يضع الأساس للروبوتات المجهرية ذات الأغراض العامة التي تستشعر وتفكر وتتصرف وتحسب بشكل مستقل.
