רובוטים רכים אינטראקטיביים אופטית עם הולוגרפיה בקריסטלים נוזליים מוטמעת

רובוטים רכים שמתקשרים באמצעות אור

דמיינו רובוט רך וגמיש שלא רק זז כשמכוונים עליו אור, אלא גם "מספר" לכם מה רצונו לעשות באמצעות דפוסי אור חבויים. המחקר מציג מערכת כזו בדיוק: רובוטים רכים ששומרים, מצפינים ומשדרים הוראות בעזרת אור, ובמקביל מבצעים תנועות מורכבות. העבודה מצביעה על מכונות עתידיות שיתנהגו יותר כמו יצורים חיים, עם "מערכת עצבים" פנימית שנבנתה מחומרים חכמים במקום חוטים ושבבים.

למה לרובוטים רכים צריך מוח פנימי

רוב הרובוטים הרכים הקיימים מסתמכים על אלקטרוניקה חיצונית מגושמת או על קבלת החלטות אנושית ישירה כדי לקבוע אילו משימות לבצע ואיך לבצען. הם עשויים להיות גמישים ובטוחים למגע, אך חסר להם מרכז פנימי שיכול לאחסן ולנהל מידע כפי שעושה מוח בעבור בעל חיים. משמעות הדבר היא שהם אינם יכולים להנחות מפעיל באופן עצמאי במשימה או להחזיק תוכניות משימה באופן מאובטח בתוך גופם. המחברים שאפו ליצור רובוט רך שבו מידע ותנועה מקושרים זה בזה באופן הדוק, כך שהוראות, משוב ופעולות כולם ינוהלו בתוך מסגרת רכה אחת שלמה.

שני חומרים מיוחדים שפועלים כאחד

המפתח הוא שילוב מתוכנן של שני סרטים דקים: רשת קריסטלים נוזליים שנענית בחוזקה לאור, ופיברין משי — חלבון המופק מתולעי משי שמגיב ללחות. כשמניחים אותם בשתי שכבות, הסרטים מתעקמים בכיוונים מנוגדים תחת השפעת אור או לחות, ומאפשרים לרובוט להתפתח, להתלפף, להתעוות ואפילו לאמץ צורות תלת‑ממדיות. על ידי בחירת עובי הסרטים, כיוון החיתוך ואופן הרכבת המקטעים, החוקרים מתכנתים מגוון רחב של תנועות — מרצועות שמתעגלות ועד קפיצים ספירליים ומבנים רב‑מקטעיים מורכבים. השילוב הזה מתגבר על מגבלות כל חומר בנפרד, ומניב חלקים רכים עם דרגות חופש רבות ועמידות לטווח ארוך תחת שימוש חוזר.

הולוגרמות החבויות בתוך החומר הרך

מעבר לתנועה, אותו חומר קריסטל נוזלי מעוצב ברמה מיקרוסקופית כדי לאחסן הולוגרמות — תמונות מבוססות אור שמופיעות כאשר הסרט מואר באופן המתאים. באמצעות מערכת מראות מיקרו דיגיטלית, הצוות כותב דפוסים מורכבים בכיוון המולקולות של הקריסטל הנוזלי, והופך אותם לסרטים מוצקים שמקרינים תמונות הולוגרפיות חדה כאשר מוארים. במקביל, שכבת המשי מעושרת בננו‑חלקיקים מיוחדים שנצים בצבעים שונים כאשר הם מוארים באור תת‑אדום בלתי נראה. על ידי ערבוב חלקיקי המרה של כחול, ירוק, צהוב ואדום בתוך המשי, החוקרים יוצרים סרטים גמישים שנוצצים בצבעים מובחנים מבלי לפגוע בביצועים המכניים. יחדיו, הקריסטל הנוזלי ההולוגרפי והמשי הזוהר יוצרים יחידת מידע אופטית מלאה שיכולה לקודד, להסתיר ולגלות הוראות בכמה שכבות.

מכונות רכות שמבצעות הוראות אור חבויות

להדגים את המערכת בפועל, הצוות בונה שני רובוטים להדגמה. הראשון הוא מהדק בעל ארבע זרועות שבבסיסו מוטמע סרט הולוגרפי. כאשר מוארים בדפוס אור מיוחד, הבסיס מקרין תמונה שמתארת באופן חזותי את המשימה — למשל, לקחת את הקובייה הכחולה ולהניח אותה בקופסה המתאימה. המפעיל מפענח את ההקרנה ואז משתמש בקרן אור נפרדת כדי לחמם את הזרועות הדו‑שכבתיות, מה שגורם להן להיפתח ולהיסגר כדי לאחוז, להרים, להזיז ולשחרר את החפץ לפי דרישה. בדוגמה שנייה, הליכון זעיר בעל ארבע רגליים משולב עם מעטפת דמוית פרח הנושאת עלי משי צבעוניים ודיסק הולוגרפי מרכזי. אדי מים פותחים תחילה את הפרח וחושפים את ההולוגרמות החבויות. אור מקוטב מעגלית אז מגלה ארבע דפוסים הולוגרפיים שונים, שכל אחד מהם משויך לצבע עלה ספציפי שמופיע תחת גירוי תת‑אדום. רק רצף צבעים מסוים מתאים לדרך הנכונה בתוך מבוך. לאחר שפוענח, המפעיל מניע את הליכון על ידי כיוון אור סלקטיבי על רגליו, מה שגורם לו לזחול בכיוונים שונים ולברוח מהמבוך בדרך המופקדת.

מה משמעות הדבר לכלים חכמים עתידיים

בהיבט מעשי, העבודה מראה כיצד לצייד רובוטים רכים גם בגוף וגם בזיכרון העשויים כולה מחומרים רגישים. האור משמש כשפה אוניברסלית: הוא כותב ומסתיר הוראות, מאפשר לרובוט להציגן חזרה למשתמש ומזין את התנועות שמבצעות את המשימה. מאחר שהמרכיבים — פולימרים של קריסטלים נוזליים ומשי — תאימותם למערכות ביולוגיות גבוהה, המחברים רואים פני עתיד של מיקרו‑רובוטים רפואיים שיוכלו להיות מונחים ומאומתים אופטית בתוך הגוף, אפילו במקומות שבהם אלקטרוניקה רגילה מתקשה לפעול. אמנם יישומים מעשיים ידרשו חדירה עמוקה יותר של אור ושיפורים נוספים בחומרים, אך המחקר ממפה כיוון חדש למכונות רכות שחושבות ופועלות דרך "שיחות" מבוססות אור המובנות ישירות במבנים הגמישים שלהן.

ציטוט: 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

מילות מפתח: רובוטיקה רכה, הולוגרפיה, קריסטלים נוזליים, ביומריאלים של משי, הנעה הנשלטת באור

למידע נוסף באתר קבוצת המחקר: https://light.nju.edu.cn/index