מנעולים אוניברסליים ממתכת נוזלית לתפיסה עדינה, מסתגלת וברב-קנה מידה

רובוט רך שזורם כמו תא חי

דמיינו כף רובוטית שיכולה בעדינות להרים גרגר פרח של דרדר, דג חי, גרגיר אבק ונפח פרי כבד — הכל באותו התקן זעיר — ולעשות זאת מתחת למים, בחומצה או באוויר הפתוח. המחקר הזה מציג בדיוק את זה: "מנעול אוניברסלי" העשוי מתכת נוזלית שזורמת ומשנה צורתה בדומה לאמבה, ומאפשר למכונות לטפל בחפצים עדינים מדי, זעירים מדי או בעלי צורה מוזרה מדי עבור רובוטים של היום.

מדוע תפיסה עדינה קשה כל כך

כפות רובוטיות קונבנציונליות מצטיינות בלתפוס פריטים חזקים וסדירים, כמו קופסאות או כלים, אך הן מתקשות עם מטרות עדינות, רכות או מיקרוסקופיות. ידיים עם מספר אצבעות יכולות למעוך חפצים שבירים או לפספס חומרים זעירים. מאחיזים המעטפים פריטים בתוך שקיות רכות או משתמשים בגרגירים הנעשים נוקשים יכולים להסתגל לצורה, אך לעתים קרובות זקוקים למשאבות או לחימום מגושמים ועדיין אינם יכולים להחזיק יצורים בתנועה מהירה או חלקים זעירים באופן מאובטח. כלים מבוססי דבקות יכולים להרים שבבים מיקרוסקופיים או סיבים, אך מתקשים לשחרר לפי פקודה. במפעלים, במעבדות ובמחקר הביולוגי זה יוצר פער גדול: איך לאחוז ואז לשחרר באופן נקי הכל, מאורגניזמים חיים ועד מיקרו-מכשירים, בטווח גודל עצום ובסביבות שונות מאוד.

שואבים טריק מאמבות

אמבות, יצורים חד-תאיים, פותרות את הבעיה הזו באמצעות גוף המתנהג כנוזל רך מאוד. הן זורמות סביב שלטר, עוטפות אותו ומאוחר יותר מסחטות אותו החוצה. החוקרים מדמים אסטרטגיה זו באמצעות טיפות של מתכת נוזלית מבוססת גאליום מעורבבת עם חלקיקי ברזל זעירים. בטמפרטורת החדר מתכות אלה נשארות נוזליות, אך ניתן לשנות דרמטית את המתיחות הפועלית של פני השטח שלהן כאשר מוחל מתח קטן. במנעול האוניברסלי החדש העשוי מתכת נוזלית, טיפה יושבת בתוך חלל מודפס תלת-ממד רך, במגע עם שכבה דקה של תמיסה מלוחה. כאשר הקבוצה מפעילה אות חשמלי, מתיחת פני השטח של המתכת כמעט ונעלמת והיא מתפרסת, עוטפת כל חפץ בסמיכות — בין אם גרגיר זכוכית, קונכייה מפותלת או תולעת חיה — הן בנוזלים והן באוויר.

מזרימה רכה לאחיזה חזקה

כדי להפוך את הטיפה הזורמת ל"יד" יציבה, ההתקן משתמש במגנטיות. מכיוון שהמתכת מכילה חלקיקי ברזל, הדלקת סליל אלקטרומגנטי מתחת לחלל גורמת לנוזל להתנהג יותר כמו מוצק רך. המתכת העוטפת ננעלת לאחר מכן עם משטח האובייקט, מה שמעניק לה כוח מפתיע. המנעול יכול להחזיק חפצים במשקל של עד כ-200 גרם — כגון פלפלים, תפוזים או ברוקולי — בעודו עובד גם בקני מידה מילימטריים. גרסאות קטנות יותר יעילות במיוחד, ותומכות בעומס העולה על אלפי מונים ממסת המתכת הנוזלית במיכל. בו בזמן, לחץ המגע יכול להישאר נמוך עד כ-10 פסקל, נמוך בהרבה ממה שיגרום נזק לטופו, לאצה GELית או לרבים מבעלי החיים הקטנים, מה שהופך אותו לעדין במיוחד.

שחרור במהירות ברק

שחרור חפצים זעירים לעתים קרובות קשה יותר מלכידתם, מכיוון שכוחות בלתי נראים כמו דבקות ומתיחת פני השטח גורמים להם להידבק. כאן, אותו מתכת נוזלית מציעה פתרון מובנה. על ידי החלפת האות החשמלי, מתיחת פני השטח של המתכת חוזרת לערך גבוה מאוד. הטיפה מתכווצת בחזרה, בדומה לגומי מתוח שפתאום משחרר, ומעיפה את מה שהחזיקה. ניסויים מראים ששיער אנושי או חלקיקים מיקרוסקופיים יכולים להיות מושלכים בתוך אלפי שניות של שנייה, כשהם מגיעים לתאוצות עד כ-42 פעמים כוח הכבידה של כדור הארץ — מהיר יותר מכל מנעול מדווח אחר. חשוב שהחוקרים יכולים לכוונן את מהירות השחרור על ידי התאמת המתח, להחליף כוח בבטיחות בעת טיפול במבחנים רגישים במיוחד.

טיפול בחיים ללא פגיעה

כדי לבדוק האם פעולות דרמטיות כאלה בטוחות לרקמות חיות, הקבוצה השתמשה במנעול כדי להזיז עוברים מוקדמים של דג זברה — כדורים זעירים ורגישים המנוצלים לעתים קרובות במעבדות ביולוגיות. בהשוואה לפיפטה סטנדרטית, הכלי מבוסס המתכת הנוזלית עבד מהר יותר ובשיעור הצלחה גבוה יותר, ובכל זאת העוברים לא הראו סימני לחץ נוספים, עיוותים או פגיעה בתנועה בהתפתחותם. המנעול גם תפס גששים מהירים, תולעת אדמה מתפתלת ודגיגים חלקלקים ללא נזק נראה לעין, מה שמרמז על שימושים עתידיים באקולוגיה, בחקלאות ימית ובמחקר ביורפואי שבהם טיפול מדויק ועדין חיוני.

סוג חדש של מגע רובוטי אוניברסלי

המחקר מראה שבעזרת שליטה על אופן זרימת, התקשות והחזרה של טיפה מתכת נוזלית, מכשיר אחד יכול לאחוז ולשחרר באופן פעיל חפצים בטווח משקל של כ-14 סדרי גודל, מחרוזיות מיקרוסקופיות ועד תוצרת יום-יום, ולעשות זאת באוויר, במי ים, בתמיסות בסיסיות או חומציות. עבור הקהל הרחב, המסר המרכזי הוא שרובוטים כבר לא חייבים היד שונה לכל משימה: מנעול מתכת נוזלית בדמות אמבה עשוי יום אחד לאפשר למכונות לתקשר בבטחה עם כל דבר, מתאים חיים לתוך אלקטרוניקה שבירה, ולהביא מגע יותר מסתגל, עדין ומדויק לתעשייה ולרפואה.

ציטוט: Chen, X., Zhang, M., Cao, L. et al. Liquid metal universal grippers for gentle, adaptable, multiscale manipulation. Nat Commun 17, 3548 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70313-6

מילות מפתח: רובוטיקה רכה, מתכת נוזלית, מנעול אוניברסלי, מניפולציה בקנה מיקרו, טיפול ביורפואי