نسج الإلكترونيات في الأنظمة الحية
الحياة العصرية مليئة بالإلكترونيات التي تهدف إلى جعل أيامنا أكثر راحة واتصالاً. من الهواتف الذكية إلى المنازل الذكية، أصبحت الأجهزة الرقمية متداخلة بعمق مع كيفية عملنا ولعبنا وتفاعلنا مع العالم. ومع ذلك، تفتقر معظم الأدوات الإلكترونية إلى ميزة رئيسية - وهي القدرة على الاندماج بسلاسة مع الأسطح الحية التي تتنفس أجسامنا وبيئاتنا. ماذا لو تمكنت أجهزتنا الإلكترونية من تكوين روابط غير محسوسة مع الجلد والنباتات والمواد البيولوجية الأخرى؟ ربما توصل فريق من الباحثين من جامعة كامبريدج إلى طريقة مبتكرة للقيام بذلك من خلال صناعة "ألياف إلكترونية حيوية" عضوية.
تعاني الإلكترونيات التقليدية عندما يتعلق الأمر بالتكامل مع الأشكال غير المنتظمة والمتغيرة باستمرار للكائنات الحية. تفشل المكونات الإلكترونية الرقيقة والصلبة في التوافق مع التجاعيد والتوسعات والانضغاطات تحت الجلد أو فوق أوراق النباتات. كما أنها تخاطر أيضًا بالتداخل مع الأحاسيس والوظائف والتحولات الطبيعية من خلال الحجم والصلابة والقدرة المحدودة على التنفس. وفقًا لقائد الدراسة الدكتور يان شيري هوانغ من قسم الهندسة في جامعة كامبريدج: "من الناحية المثالية، يجب ألا تعيق الواجهات الإلكترونية الحيوية الأحاسيس الكامنة والتغيرات الفسيولوجية لمضيفيها."
وفي سعيها لمعالجة هذه المشكلات، لجأت الدكتورة هوانغ ومعاونوها إلى نهج ليفي مستوحى من شبكات العنكبوت. فالعناكب مهندسون معماريون بارعون في تصميم شبكات معقدة وخفيفة الوزن تتكيف بشكل مثالي مع البيئات المحلية. وقد تساءل الباحثون عما إذا كان بإمكان الألياف الإلكترونية متناهية الصغر أن تحقق مآثر مماثلة من التعزيزات القابلة للتخصيص، والتي لا تسبب سوى الحد الأدنى من الاضطراب عند نشرها مباشرة على ركائز حية.
كان المفتاح هو تطوير "ألياف إلكترونية حيوية" خاصة مصنوعة من مركبات متوافقة حيوياً مثل البولي(
في الغزل المداري، يقوم الباحثون بتثبيت ذراع دوارة فوق سطح مستهدف - سواء كان طرف إصبع أو ورقة نبات أو جنين دجاجة. وأثناء دوران الذراع، تخفق حوافها خيوط المحلول مباشرةً من فوهة المحقنة على الهدف الموجود في الأسفل. تنحت القوى الشعرية واللزوجة جنبًا إلى جنب مع الدوران المادة إلى خيوط تلتصق بدقة في المكان المطلوب. من خلال ضبط المتغيرات مثل سرعة الدوران، يمكن لفوهة واحدة أن تصنع أنماطًا معقدة من الألياف بسرعة تماثل تقريبًا سرعة نسج العناكب لشبكاتها.
وبتطبيق هذا النهج، نجح الباحثون في "ربط" الألياف الإلكترونية الحيوية التي يتراوح سمكها بين 1-5 ميكرومتر على مجموعة متنوعة من الأشكال الحية. وكشف الفحص المجهري الإلكتروني عن تزاوج الألياف بشكل وثيق مع الشقوق المجهرية والمحيط بدءاً من الجسيمات المجهرية للنباتات وبصيلات الشعر وصولاً إلى بصمات الأصابع. ويُعد هذا التلامس النانوي أمرًا بالغ الأهمية لأنه يسمح بنقل إشارات كهربائية وحرارية ورطوبة دقيقة من الأسطح الموجودة في الأسفل.
ومن اللافت للنظر أن الاختبارات وجدت أن لمسات الغزل الضوئية تركت عينات بيولوجية مثل أجنة الدجاج وأوراق الميموزا بوديكا الحساسة دون تغيير. "وأشار الدكتور هوانغ: "أظهرت نتائجنا أن أجنة الدجاج في اليوم الثاني التي تحتوي على شبكات من الألياف على الأنسجة النامية تظهر معدلات نمو طبيعية. ومن ثم فإن ترسب الألياف يؤثر على الركائز الحية أكثر بقليل من ملامسة أقدام العنكبوت للأوراق والجدران.
قام الباحثون، متسلحين بشبكات الألياف التي لا تسبب اضطرابًا كبيرًا، بتصميم أجهزة استشعار متنوعة غير محسوسة. وعلى جلد الإنسان، قاموا بصنع أقطاب كهربائية لتخطيط القلب ومخططات كهربائية للعضلات على الجلد البشري لتتبع نبضات القلب وحركات العضلات. كما تمكنت الألياف أيضاً من تحويل أطراف الأصابع إلى دوائر حية عن طريق إقرانها بأوراق نباتية حساسة للمس، مما يتيح تسجيل مخطط كهربائية القلب المزدوج من شخصين على اتصال جسدي.
في النباتات، اكتشفت شبكات الألياف الموزعة التعرض للأمونيا البيئية من خلال التغيرات في سطوع الصمام الثنائي الباعث للضوء عند تشغيله عبر الشبكة. وعلى الأوراق، قام الباحثون حتى "بإعادة كتابة" دوائر الألياف في الموقع من خلال محو الآثار غير المرغوب فيها وإضافة وصلات جديدة - مما يوضح كيف تعزز شبكات الألياف الاستشعار التكيفي القابل لإعادة التشكيل عبر التغير التطوري.
ولعل اللافت للنظر أن الألياف الإلكترونية الحيوية تزوجت من ركائز يتراوح حجمها من ميكرومتر إلى سنتيمتر. وقد قام الفريق بربط مصفوفات الألياف مباشرة بمكونات إلكترونية مسبقة الصنع مثل مصابيح LED متناهية الصغر دون الحاجة إلى مواد لاصقة أو بدائل لخصائص المواد المفقودة مثل قابلية التمدد. وفي المستقبل، قد يؤدي الربط البيني الجاف المماثل إلى ربط الألياف بالمنسوجات الإلكترونية، مما يؤدي إلى نسج آلات لينة حقاً في الأنسجة النباتية والبشرية الصلبة.
وبالمقارنة مع طرق التعزيز الأخرى، تبرز تقنية الألياف على أنها مستدامة بشكل استثنائي. وتتضمن موادها الخام مركبات وفيرة من الأرض، وتستهلك عملياتها الحد الأدنى من الطاقة وأحجام المحاليل وتولد القليل من النفايات. كما أثبتت الشبكات المصنعة أيضًا أنها قابلة للإصلاح وإعادة التدوير، حيث يمكن إعادة تحويل الألياف المجمعة إلى أحبار لطباعة الأجهزة ثلاثية الأبعاد لاحقًا. يمكن لدورات الحياة المغلقة هذه أن تساعد في تقليل الآثار البيئية للإلكترونيات وفقًا لما ذكره المؤلف المشارك في الدراسة والبروفيسور في جامعة ماكاو إيك مان لي.
ومن خلال الجمع بين البيولوجيا والتكنولوجيا في خيوط الخيوط معًا، يقطع هذا العمل طريقًا نحو اتحادات أكثر طبيعية وغير محسوسة بين الأشكال الحية والعالم الرقمي الأوسع. من خلال جعل الإلكترونيات على اتصال حميم مع الأسطح المتنوعة على مستويات متعددة، قد تكسونا نحن والنباتات وغيرها في يوم من الأيام بجلود حسية متعددة الاستخدامات. وإذا ما تم تحجيمها ودمجها بشكل مدروس، فإن مثل هذه التعزيزات يمكن أن تحقق فوائد صحية وبيئية وزراعية في الوقت الذي تكمل فيه الخصائص المتأصلة في الحياة - وليس نسخها. في النهاية، قد تؤدي صناعة الإلكترونيات من الخيوط الليفية إلى نسج الآلات بسلاسة أكبر في نسيج الطبيعة. وعلى الرغم من أن هذا البحث لا يزال في مراحله المبكرة، إلا أنه يغزل إمكانيات لجعل التكنولوجيا جزءًا من عالمنا بشكل غير محسوس أكثر من أي وقت مضى.
المرجع (المراجع)
- Green turtle bounces back from brink in...
on October, 2025 at 8:01 am - 'How growing a sunflower helped me fight anorexia'
on October, 2025 at 5:04 am - Fossil found on Dorset coast is unique 'sword...
on October, 2025 at 12:20 am - Naked mole rats' DNA could hold key to long life
on October, 2025 at 6:06 pm
