بحران انرژی رباتیک؛ آیا تغذیه مصنوعی می‌تواند مشکل انرژی ربات‌ها را حل کند؟

زومیت/ ربات‌های پیشرفته متعددی تولید شده‌اند؛ اما تمام آن‌ها یک مشکل مشترک دارند: کمبود انرژی. شاید با روش‌های جدید تغذیه بتوان این مشکل را حل کرد.

اوایل امسال، یک ربات در پکن موفق شد یک نیمه‌ماراتن را در کمتر از ۲ ساعت و ۴۰ دقیقه طی کند. این زمان، کندتر از رکورد انسانی برنده‌ی مسابقه است که کمی بیش از یک ساعت بود؛ اما دستاورد قابل‌توجهی به شمار می‌رود. بسیاری از دوندگان تفریحی هم به چنین زمانی افتخار خواهند کرد. این ربات توانست مسافت ۲۱ کیلومتر را با سرعتی ثابت طی کند.

اما ربات یادشده این کار را با یک شارژ باتری انجام نداد، بلکه در طول مسیر مجبور شد سه بار برای تعویض باتری متوقف شود. این نکته شاید به نظر ساده برسد، اما در حوزه رباتیک به چالش عمیق کمبود انرژی اشاره می‌کند.

---

بازار

---

ربات‌های امروزی می‌توانند با چالاکی خارق‌العاده‌ای حرکت کنند، دست به تقلید حرکات جانوران بزنند و وظایف پیچیده را با دقت مکانیکی بالا انجام دهند. از بسیاری جهات، آن‌ها در هماهنگی و بازدهی با موجودات زنده رقابت می‌کنند؛ اما وقتی به تحمل و دوام می‌رسیم، هنوز از طبیعت عقب‌ترند. ربات‌ها بر اثر خستگی از پا نمی‌افتند، بلکه فقط انرژی‌شان تمام می‌شود.

جیمز پیکول، پژوهشگر رباتیک که در زمینه‌ی سیستم‌های انرژی تمرکز دارد، چالش انرژی ربات‌ها را با دقت دنبال می‌کند: چطور می‌توان به ربات‌ها توان ادامه‌دار بودن مانند موجودات زنده داد؟ و چرا هنوز با رسیدن به این هدف، فاصله زیادی داریم؟ اگرچه بیشتر پژوهش‌ها در حوزه انرژی ربات‌ها بر بهبود باتری‌ها تمرکز دارند، اما یک گزینه‌ی دیگر هم وجود دارد: ربات‌هایی بسازیم که غذا بخورند.

ربات‌ها خوب حرکت می‌کنند، اما خیلی زود از پا می‌افتند
ربات‌های مدرن عملکرد شگفت‌انگیزی برای حرکت‌کردن دارند. با بهره‌گیری از دهه‌ها تحقیق در زمینه‌ی زیست‌مکانیک، کنترل حرکتی و سیستم‌های عملگر، ماشین‌هایی مانند اسپات و اطلس از شرکت بوستون داینامیکس می‌توانند راه بروند، بدوند و از سطوح بالا بروند، آن‌ هم با چالاکی‌ای که زمانی غیرممکن به نظر می‌رسید. در برخی موارد، حتی موتورهای آن‌ها از عضلات حیوانات نیز بازدهی بیشتری دارند.

اما دوام و تحمل، موضوع متفاوتی است. به عنوان مثال، ربات اسپات فقط می‌تواند ۹۰ دقیقه با یک شارژ کامل کار کند. بعد از آن، تقریباً یک ساعت زمان لازم دارد تا دوباره شارژ شود. این مدت زمان‌های عملیاتی، خیلی کمتر از شیفت‌های کاری ۸ تا ۱۲ ساعته انسان یا تحمل چند روزه‌ی سگ‌های سورتمه است.

مسئله نه چگونگی حرکت ربات‌ها، بلکه چگونگی ذخیره‌سازی انرژی است. اکثر ربات‌های متحرک امروزی از باتری‌های لیتیوم‌یونی استفاده می‌کنند؛ همان نوع باتری‌هایی که در گوشی‌های هوشمند و خودروهای برقی وجود دارد. این باتری‌ها مطمئن و در دسترس هستند، اما عملکردشان به کندی بهبود می‌یابد: هر سال، باتری‌های جدید لیتیوم‌یونی فقط حدود ۷ درصد بهتر از نسل قبل می‌شوند. با این سرعت، ده سال زمان لازم است تا زمان فعالیت یک ربات فقط دو برابر شود. ربات‌هایی مانند اطلس از شرکت بوستون داینامیکس صرفا برای مدت‌زمانی نسبتا کوتاه توانایی‌های شگفت‌انگیزی دارند.

حیوانات انرژی را به‌صورت چربی ذخیره می‌کنند که چگالی انرژی فوق‌العاده‌ای دارد: تقریباً ۹ کیلووات‌ساعت به ازای هر کیلوگرم. این یعنی در بدن یک سگ سورتمه، حدود ۶۸ کیلووات‌ساعت انرژی ذخیره شده است؛ چیزی معادل انرژی کامل شارژ شده‌ی یک خودروی تسلا مدل ۳. در مقابل، باتری‌های لیتیوم‌یونی فقط حدود ۰٫۲۵ کیلووات‌ساعت به ازای هر کیلوگرم انرژی ذخیره می‌کنند. حتی با موتوری بسیار کارآمد، رباتی مثل اسپات برای اینکه دوامش به اندازه‌ی یک سگ سورتمه برسد، به باتری‌ای چند ده برابر قوی‌تر از نمونه‌های امروزی نیاز دارد.

باتری‌های لیتیوم‌یونی فقط حدود ۰٬۲۵ کیلو‌وات ساعت به ازای هر کیلوگرم، انرژی ذخیره می‌کنند
و در بسیاری از مواقع، امکان شارژ مجدد وجود ندارد. در مناطق بحران‌زده، مکان‌های دورافتاده یا مأموریت‌های طولانی‌مدت، ممکن است نه پریز برقی در دسترس باشد و نه باتری یدکی.
در بعضی موارد، طراحان ربات می‌توانند باتری‌های بیشتری اضافه کنند؛ اما باتری بیشتر یعنی وزن بیشتر و وزن بیشتر، یعنی انرژی بیشتری برای حرکت لازم است. در ربات‌هایی که باید بسیار متحرک باشند، همیشه باید میان وزن، عملکرد و دوام انرژی توازن دقیقی برقرار کرد. مثلاً در مورد اسپات، باتری در حال حاضر ۱۶ درصد از وزن کلی آن را تشکیل می‌دهد.

برخی ربات‌ها از پنل خورشیدی استفاده کرده‌اند و از دیدگاه تئوری، این پنل‌ها می‌توانند زمان کار را به‌ویژه برای وظایف کم‌مصرف یا در محیط‌هایی با نور مستقیم و قوی خورشید افزایش دهند؛ اما در عمل، خورشید بسیار کمتر از نیاز واقعی ربات‌های متحرک برای راه‌رفتن، دویدن یا پرواز با سرعت مناسب، انرژی فراهم می‌کند. به همین دلیل، فناوری‌هایی مانند جمع‌آوری انرژی خورشیدی هنوز راه‌حلی محدود و خاص باقی مانده‌اند که بیشتر برای ربات‌های ثابت یا بسیار کم‌مصرف مناسب هستند.
 
ربات‌ها ممکن است روزی بتوانند انرژی را از مواد با چگالی انرژی بالا مانند آلومینیوم از طریق سیستم‌های گوارشی و عروقی مصنوعی برداشت کنند.
 
چرا کمبود انرژی ربات‌ها اهمیت دارد؟
این مسئله فقط محدودیت فنی نیست. بلکه مشخص می‌کند ربات‌ها اساساً چه کارهایی را می‌توانند انجام دهند. یک ربات امداد که باتری‌اش فقط ۴۵ دقیقه دوام دارد، شاید نتواند عملیات جست‌وجو را کامل کند. رباتی در مزرعه که هر یک ساعت باید شارژ شود، نمی‌تواند محصولات را به‌موقع برداشت کند. حتی در انبارها یا بیمارستان‌ها، مدت کار کوتاه، باعث پیچیدگی و افزایش هزینه می‌شود.

اگر قرار است ربات‌ها در جامعه نقشی معنادار مانند کمک به سالمندان، جست‌وجو در محیط‌های خطرناک یا همکاری نزدیک با انسان‌ها را ایفا کنند، باید توانایی فعالیت برای ساعت‌ها را داشته باشند نه فقط چند دقیقه.

باتری‌هایی با ترکیب‌های شیمیایی جدید مانند لیتیوم-سولفور و فلز-هوا مسیر امیدبخش‌تری برای آینده فراهم کرده‌اند. این نوع باتری‌ها از لحاظ تئوری چگالی انرژی بسیار بیشتری نسبت به سلول‌های لیتیوم-یونی فعلی دارند. بعضی از آن‌ها به سطح انرژی ذخیره‌شده در چربی حیوانات نزدیک می‌شوند. اگر این باتری‌ها با محرک‌هایی (actuators) کارآمد همراه شوند که بتوانند انرژی الکتریکی را به‌خوبی به حرکت مکانیکی تبدیل کنند، ممکن است ربات‌ها بتوانند با دوام موجوداتی با چربی بدنی پایین برابری کنند یا حتی از آن فراتر بروند

اما حتی این باتری‌های نسل بعدی نیز محدودیت‌هایی دارند: بسیاری از آن‌ها دوباره به سختی شارژ می‌شوند، با گذشت زمان تحلیل می‌روند، یا در پیاده‌سازی‌های واقعی با مشکلات مهندسی روبه‌رو هستند.

شارژ سریع می‌تواند به کاهش زمان خاموشی کمک کند. برخی باتری‌های نوظهور می‌توانند در عرض چند دقیقه شارژ شوند، نه چند ساعت؛ اما این راه‌حل هم هزینه‌هایی دارد: شارژ سریع به عمر باتری آسیب می‌زند، حرارت ایجاد می‌کند و معمولاً به زیرساخت‌های سنگین و پرقدرت شارژ نیاز دارد. حتی با این پیشرفت‌ها، رباتی که از شارژ سریع بهره‌مند است، همچنان باید مرتب متوقف شود و در محیط‌هایی که برق شبکه‌ای در دسترس نیست، این راه‌حل، مشکل اصلی یعنی محدودیت انرژی داخلی را حل نمی‌کند.

به همین دلیل، پژوهشگران در حال بررسی راه‌حل‌های جایگزین مثل سوخت‌های فلزی یا شیمیایی برای ربات‌ها هستند. این راه‌حل درست مثل فرآیند تغذیه‌ی حیوانات است.

 
راه‌حل جایگزین: سوخت و ساز رباتیک
در طبیعت، حیوانات شارژ نمی‌شوند؛ بلکه غذا می‌خورند. غذا از طریق فرایند گوارش، گردش خون و تنفس به انرژی تبدیل می‌شود. چربی انرژی را ذخیره می‌کند، خون آن را منتقل می‌کند و عضلات از آن استفاده می‌کنند. ربات‌های آینده می‌توانند با «سوخت و ساز مصنوعی» از همین الگو پیروی کنند.

برخی پژوهشگران در حال ساخت سیستم‌هایی هستند که به ربات‌ها امکان «هضم» فلزات یا سوخت‌های شیمیایی و «تنفس» اکسیژن را می‌دهند. برای مثال، راکتورهای شیمیایی مصنوعی که مانند معده عمل می‌کنند، می‌توانند موادی با انرژی بالا مانند آلومینیوم را به برق تبدیل کنند. این کار بر پایه‌ی پیشرفت‌های گسترده در زمینه‌ی خودمختاری ربات‌ها است؛ جایی که ربات‌ها می‌توانند اشیاء را در یک اتاق شناسایی و به سمت آن‌ها حرکت کنند، با این تفاوت که به‌جای گرفتن اشیاء، منابع انرژی را جمع‌آوری خواهند کرد.

به جای باتری مرکزی، انرژی می‌توانند در سراسر بدن و اندام‌های ربات ذخیره شود
پژوهشگران دیگر در حال توسعه‌ی سیستم‌های انرژی بر پایه‌ی مایعات هستند که مانند خون در بدن جریان دارد. یک نمونه‌ی اولیه، ماهی رباتیکی بود که با استفاده از یک مایع چندمنظوره به جای باتری لیتیوم‌یونی استاندارد، چگالی انرژی‌اش را سه برابر کرد. همین تغییر طراحی معادل ۱۶ سال پیشرفت در تکنولوژی باتری بود. این سیستم‌ها می‌توانند به ربات‌ها امکان دهند برای بازه‌های زمانی طولانی‌تری فعال بمانند و از موادی استفاده کنند که انرژی بسیار بیشتری نسبت به باتری‌های امروزی ذخیره می‌کنند.
در بدن حیوانات، سیستم انرژی فقط برای تأمین نیرو نیست. خون دمای بدن را تنظیم می‌کند، هورمون‌ها را منتقل و با عفونت‌ها مقابله می‌کند و همچنین به ترمیم زخم‌ها می‌پردازد. سوخت‌وساز مصنوعی نیز می‌تواند همین نقش‌ها را ایفا کند. ربات‌های آینده ممکن است گرما را با مایعات در حال گردش مدیریت یا خودشان را با مواد ذخیره‌شده یا هضم‌شده ترمیم کنند. به جای یک بسته باتری مرکزی، انرژی می‌تواند در سراسر بدن، در اندام‌ها، مفاصل و بخش‌هایی مانند بافت نرم ذخیره شود.

چنین رویکردی می‌تواند به ساخت ماشین‌هایی منجر شود که نه‌تنها دوام بیشتری دارند، بلکه سازگارتر، مقاوم‌تر و شبیه‌تر به موجودات زنده‌اند.

نتیجه‌گیری
ربات‌های امروزی می‌توانند مانند حیوانات بپرند و بدوند، اما نمی‌توانند مسافت طولانی طی کنند. بدن آن‌ها سریع و ذهن‌شان در حال پیشرفت است، اما سیستم‌های انرژی‌شان هنوز عقب مانده‌اند. اگر قرار است ربات‌ها به‌طور معناداری در کنار انسان‌ها کار کنند، باید چیزی بیش از هوش و چابکی به آن‌ها بدهیم و آن ویژگی، دوام است.

به پیج اینستاگرامی «آخرین خبر» بپیوندید
instagram.com/akharinkhabar