روبوتات لينة تفاعلية بصرياً متكاملة مع هولوغرافيا الكريستال السائل المدمجة

روبوتات لينة تتواصل بالضوء

تخيل روبوتاً لينا ومطاطياً لا يكتفي بالحركة عند تسليط الضوء عليه، بل "يخبرك" أيضاً بما يريد القيام به عبر أنماط ضوئية مخفية. تقدم هذه الدراسة نظاماً من هذا النوع: روبوتات لينة تخزن وتشفّر وترسل التعليمات باستخدام الضوء، بينما تنفّذ في الوقت نفسه حركات معقدة. يشير العمل إلى آلات مستقبلية قد تتصرف أكثر مثل الكائنات الحية، مع "جهاز عصبي" مدمج مكوَّن من مواد ذكية بدلاً من الأسلاك والشرائح.

لماذا تحتاج الروبوتات اللينة إلى أدمغة مدمجة

تعتمد معظم الروبوتات اللينة اليوم على إلكترونيات خارجية ضخمة أو على حكم بشري مباشر لتقرير المهام وكيفية أدائها. قد تكون مرنة وآمنة للمس، لكنها تفتقر إلى مركز داخلي يمكنه تخزين وإدارة المعلومات كما يفعل الدماغ لدى الحيوان. وهذا يعني أنها لا تستطيع توجيه المشغّل خلال مهمة بشكل مستقل أو الاحتفاظ بخطط المهمة بأمان داخل أجسامها. سعى المؤلفون إلى إنشاء روبوت لين حيث تكون المعلومات والحركة مترابطة بإحكام، بحيث تُعالَج الأوامر والتغذية الراجعة والإجراءات كلها ضمن إطار لَيّن واحد متكامل.

مادتان خاصتان تعملان معاً

المفتاح هو اقتران مدروس لطبقتين رقيقتين: شبكة من الكريستال السائل تستجيب بقوة للضوء، وفيبروين الحرير، وهو بروتين مستخرج من شرانق دودة القز يستجيب للرطوبة. عندما تُرصّ هاتان الطبقتان في ثنائيات، تنثنيان باتجاهين متعاكسين تحت تأثير الضوء أو الرطوبة، ما يسمح للروبوت بالانثناء والالتفاف والالتواء وحتى تبنّي أشكال ثلاثية الأبعاد. عبر اختيار سماكة الطبقات، واتجاه القطع، وطريقة تجميع المقاطع، يبرمج الباحثون نطاقاً واسعاً من الحركات، من شرائط بسيطة تنثني إلى نوابض لولبية وهياكل متعددة المقاطع المعقدة. هذا التركيب يتغلب على قيود كل مادة على حدة، منتجاً أجزاء لينة ذات درجات حرية متعددة واستقرار طويل الأمد تحت الاستخدام المتكرر.

هولوغرامات مخفية داخل المادة اللينة

بعيداً عن الحركة، تُنقش مادة الكريستال السائل نفسها على المستوى الميكروسي لاستيعاب هولوغرامات—صور ضوئية تظهر عندما يُضاء الفيلم بالطريقة المناسبة. باستخدام نظام مرايا ميكروية رقمي، يكتب الفريق أنماطاً معقدة في توجيه جزيئات الكريستال السائل، محولاً إياها إلى أفلام صلبة تُسقط صوراً هولوغرافية واضحة عند إضاءتها. في الوقت نفسه، تُضاف إلى طبقة الحرير جزيئات نانوية خاصة تتوهج بألوان مختلفة عند إثارتها بضوء تحت أحمر قريب غير مرئي. عبر مزج جزيئات تحويل الطيف الأزرق والأخضر والأصفر والأحمر في الحرير، ينشئ الباحثون أفلاماً مرنة تتوهج بألوان مميزة دون فقدان الأداء الميكانيكي. معاً، يشكّل الكريستال السائل الهولوغرافي والحرير المتوهج وحدة معلومات بصرية متكاملة يمكنها تشفير وإخفاء وكشف الأوامر في عدة طبقات.

آلات لينة تتبع تعليمات ضوئية مخفية

لإظهار كيفية عمل هذا عملياً، يبني الفريق روبوتين نموذجيين. الأول هو قابض بأربعة أذرع ويحمل قاعدته فيلم هولوغرافي. عند إضاءته بنمط ضوئي خاص، تسقط القاعدة صورة تصف المهمة بصرياً—مثلاً: امسك المكعب الأزرق وضعه في الصندوق المطابق. يفك المشغّل ترميز هذا الإسقاط ثم يستخدم شعاع ضوئي منفصل لتسخين أذرع الثنائيات، فيتفتح ويغلق لتقبض، ترفع، تنقل وتطلق الجسم عند الطلب. في مثال ثانٍ، يُجمع ماشٍ صغير بأربعة أرجل مع غلاف شبيه بالزهرة يحمل بتلات حريرية ملونة وقرص هولوغرافي مركزي. يفتح بخار الماء الزهرة أولاً، كاشفاً عن الهولوغرامات المخفية. يكشف الضوء المستقطب دائرياً بعد ذلك عن أربعة أنماط هولوغرافية مختلفة، كل واحد مرتبط بلون بتلة محدد يظهر تحت إثارة الأشعة تحت الحمراء. يتطابق تسلسل لوني واحد فقط مع المسار الصحيح عبر متاهة. بعد فك الشفرة، يقود المشغّل الماشي عبر تسليط الضوء انتقائياً على ساقيه، مما يجعله يزحف في اتجاهات مختلفة ويخرج من المتاهة على المسار المحدد.

ما يعنيه هذا لأدوات ذكية مستقبلية

ببساطة، يظهر هذا العمل كيفية منح الروبوتات اللينة جسداً وذاكرة مصنوعة بالكامل من مواد مستجيبة. يعمل الضوء كلغة عالمية: يكتب ويخفي التعليمات، يسمح للروبوت بعرضها للمستخدم، ويشغّل الحركات التي تنفّذ المهمة. وبما أن اللبنات الأساسية—بوليمرات الكريستال السائل والحرير—متوافقة مع الأنظمة البيولوجية، يتخيل المؤلفون روبوتات دقيقة طبية مستقبلية يمكن توجيهها والتوثيق بصرياً داخل الجسم، حتى في أماكن يصعب على الإلكترونيات التقليدية العمل فيها. وبينما ستتطلب التطبيقات الحقيقية اختراق ضوئي أعمق ومزيداً من تحسين المواد، تُحدد هذه الدراسة اتجاهًا جديدًا للآلات اللينة التي تفكر وتتصرف عبر "حوارات" ضوئية مدمجة مباشرة في هياكلها المرنة.

الاستشهاد: Zhang, ZC., Wei, Y., Wang, ZY. et al. All-in-one optically interactive soft robots with embedded liquid crystal holography. Light Sci Appl 15, 219 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02287-5

الكلمات المفتاحية: الروبوتات اللينة, الهولوغرافيا, الكريستالات السائلة, المواد الحيوية من الحرير, التحرك المتحكم به بالضوء

اقرأ المزيد على موقع مجموعة البحث: https://light.nju.edu.cn/index