ربات‌ها مثل حشرات خواهند دید!

جی پلاس، به نقل از آی‌ای، آیا دوست دارید لباسی را بپوشید که رنگ آن متناسب با آب و هوا تغییر می‌کند؟ یا بانداژی که با تغییر رنگ هنگام بروز عفونت در محل آسیب به شما هشدار می‌دهد؟

پژوهشگران دانشگاه هنگ‌کنگ موادی را برای تبدیل چنین ایده‌هایی به واقعیت ساخته‌اند. آنها یک ماده لاستیک‌ مانند تغییر رنگ دهنده به نام MoCA ابداع کرده‌اند.

برای ساخت این ماده‌ی منحصر به‌ فرد از بال‌های پروانه الهام گرفته شده و از پیکسل‌های متعددی تشکیل شده است که هر کدام را می‌توان به طور جداگانه تنظیم و دستکاری کرد تا به الگوی رنگی مورد نظر دست یافت.

پژوهشگران می‌گویند: ما معتقدیم که این استراتژی پیکسل‌سازی می‌تواند برای طراحی رابط‌های سلسله مراتبی بیشتر و سیستم‌های نوری متعدد مانند چشم‌های مرکب مصنوعی یا لنزهای بلوری برای کاربردهای بیومیمتیک و رباتیک مورد استفاده قرار گیرد.

شباهت‌های MoCA و بال‌های پروانه

بال‌های پروانه‌ها ظاهری پر جنب و جوش دارند، زیرا ساختارهای منحصر به‌ فردی برای دستکاری نور به نام فرورفتگی‌های ریز دو رنگ دارند. این گودال‌های کوچک به عنوان بلورهای فوتونی(مواد نوری که می‌توانند نور را مسدود، کنترل و دستکاری کنند) کار می‌کنند.

هنگامی که نور روی این گودال‌ها می‌افتد، در زوایای خاصی شکسته می‌شود و در نتیجه الگوهای دو رنگی روی بال‌های پروانه‌ها ایجاد می‌شود.

سیستم MoCA نیز به همین شکل دارای سوراخ‌ها یا بلورهای فوتونی برای تولید رنگ‌های مختلف است.

این سیستم شامل دو لایه است. یک لایه مسطح بالایی متشکل از یک نوار محرک الاستومر بلور فوتونی(PC-EA) و یک لایه مقعر پایینی با سوراخ‌های گرد که با فاصله منظم از هم قرار گرفته‌اند.

دانشمندان قبلاً نیز با استفاده از جوهر و نانومواد قابل برنامه‌ریزی مجدد، سیستم‌های تغییر رنگ دهنده ایجاد کرده بودند. با این حال، پژوهشگران این مطالعه جدید ادعا می‌کنند که این اولین سیستم تغییر رنگ دهنده است که از ساختارهای مقعر و مسطح استفاده می‌کند.

یی پان یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: استراتژی تغییر رنگ MoCA با تغییر مورفولوژی محلی آن، به ویژه با کنترل انتقال بین حالت‌های مسطح و مقعر به دست می‌آید. این موضوع MoCA را از سایر سیستم های تغییر رنگ دهنده پیکسلی متمایز می‌کند.

عمل تغییر رنگ MoCA

لایه PC-EA که لایه بالایی MoCA است، دارای دو لایه زیرین است. یک لایه هیدروژل پایینی متشکل از pNIPAM و یک لایه الاستومری به نام GPDMS که در بالا قرار دارد.

هنگامی که لایه PC-EA در معرض اتانول قرار می‌گیرد، جذب اتانول در pNIPAM بسیار سریع‌تر از GPDMS اتفاق می‌افتد. در نتیجه، pNIPAM متورم و سنگین می‌شود و GPDMS را به داخل حفره مقعر MoCA فشار می‌دهد. این عمل، زاویه تابش نور به MoCA را تغییر می‌دهد و تمام نور قرمز را مسدود می‌کند و در نهایت رنگ پیکسل‌هایی که MoCA را تشکیل می‌دهند، آبی می‌شود.

پژوهشگران خاطرنشان می‌کنند که این تغییر زاویه حدود ۱۵ درجه‌ای می‌تواند به رنگ اجازه دهد بین آبی و قرمز تغییر کند.

جالب‌تر این که دانشمندان می‌توانند رنگ یک پیکسل یا کل مواد را بسته به نیاز خود تغییر دهند.

علاوه بر این، MoCA جدا از توسعه برنامه‌های تغییر رنگ، همچنین دارای پتانسیل دستیابی به دید مرکب است که در حشرات مشاهده می‌شود. گفتنی است که حشرات برخلاف انسان، تصاویر را به صورت پیکسلی می‌بینند.

اگرچه چشمان انسان می‌توانند تصاویر رنگارنگ با شفافیت و وضوح بالا تولید کنند، اما نمی‌توانند به طور همزمان روی چندین جسم متمرکز شوند یا اشعه فرابنفش را ببینند. از سوی دیگر، چشم‌های حشرات دارای عدسی‌های متعددی هستند که به آنها امکان می‌دهد میدان دید وسیعی داشته باشند، یعنی می‌توانند طول موج‌هایی از نور فرابنفش تا نور قرمز را جذب کنند. چشم‌های مرکب همچنین آنها را قادر می‌سازد تا بر روی اجسام متعدد در محیط اطراف خود تمرکز کنند.

نویسندگان این مطالعه بر این باورند که دستگاه‌های نوری با ترکیبی از چشم مرکب و عدسی بلوری نه تنها از طبیعت تقلید می‌کنند، بلکه از آن فراتر می‌روند.

به عنوان مثال، وقتی ربات‌ها و ماشین‌های طراحی‌شده برای انجام چندوظیفه‌گی به چنین سیستم بینایی مصنوعی مجهز شوند، می‌توانند در مراقبت‌های بهداشتی، دفاعی، کشاورزی، تولید و سایر زمینه‌های مختلف شگفت‌انگیز باشند و چشم انداز MoCA می‌تواند به آنها اجازه دهد چندین مشکل را در یک زمان شناسایی و حل کنند.

این مطالعه در مجله Advanced Science منتشر شده است.