أخبار ar.wedoany.com، طوّر باحثون في كلية هارفارد جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية (Harvard's John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) طريقة طباعة ثلاثية الأبعاد تنتج أليافًا أدق من شعرة الإنسان. تتميز هذه الألياف بقدرتها على الانحناء والالتواء والتمدد أو الانكماش استجابةً لتغيرات درجة الحرارة، لتكون بذلك بمثابة عضلات اصطناعية قابلة للبرمجة. نُشرت النتائج في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (Proceedings of the National Academy of Sciences)، ويعود البحث إلى مختبر البروفيسورة جينيفر لويس (Jennifer Lewis)، أستاذة الهندسة المستوحاة بيولوجيًا من كرسي هانسيورغ فيس (Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering)، بينما كان الباحث ما بعد الدكتوراه مصطفى عبد الرحمن (Mustafa Abdelrahman) المؤلف الأول للدراسة.
تعتمد هذه التقنية على منصة الطباعة ثلاثية الأبعاد الدوارة متعددة المواد التي طورها مختبر لويس. تقوم المنصة ببثق مادتين في وقت واحد عبر فوهة دوارة: الأولى هي بوليمر بلوري سائل مرن (Liquid Crystal Elastomer)، وهي مادة نشطة تنكمش في اتجاه جزيئي مفضل عند تسخينها؛ والثانية هي بوليمر مرن خامل يحافظ على شكله بغض النظر عن درجة الحرارة. من خلال التحكم الدقيق في موضع كل مادة في المقطع العرضي للألياف وتدوير الفوهة أثناء الطباعة، تمكن الباحثون من كتابة ترتيب جزيئي حلزوني مباشرة في الألياف أثناء تشكلها، مما يجعل سلوك تغير الشكل محددًا مسبقًا بالكامل أثناء عملية التصنيع، دون الحاجة إلى معالجة لاحقة أو تجميع يدوي.
قال عبد الرحمن: "رأيت منصة الطباعة ثلاثية الأبعاد الدوارة الجميلة هذه، وفكرت: ماذا لو أضفنا مادة نشطة وقمنا بنمذجتها داخل الألياف، هل يمكننا بذلك دفع تغير الشكل؟"
تجلى إمكانات هذه التقنية عندما استخدم الفريق الألياف المبرمجة الفردية كوحدات بناء لهياكل أكثر تعقيدًا. فالألياف ذات الشكل الجيبي أو المتموج متطابقة بصريًا، ولكنها تظهر سلوكًا معاكسًا بناءً على موضع المادة النشطة: عندما يكون البوليمر المرن على الجانب الخارجي للموجة، تستقيم الألياف وتتمدد؛ وعندما يكون على الجانب الداخلي، تنقبض الألياف وتتقلص.
بناءً على هذه الوحدات، قام الفريق بتجميع شبكات بلورية مستوية يمكنها الفتح والإغلاق استجابة للحرارة، وتعمل كمرشحات نشطة: تسمح بمرور الجسيمات عند التسخين، وتحتجزها عند التبريد. يمكن لهذه الشبكة البلورية أيضًا أن تعمل كملاقط رفع وإفلات، حيث ترفع عدة قضبان في وقت واحد وتحررها عند الحاجة. أما الشبكة البلورية ذات المناطق المتناوبة من التمدد والانكماش، فتحولت إلى هيكل مقبب عند التسخين، متطابقة بشكل كبير مع المحاكاة الحاسوبية المتوقعة. تم التحقق من النتائج والنمذجة بالتعاون مع البروفيسور ل. ماهاديفان (L. Mahadevan)، الخبير في ميكانيكا الهياكل الطبيعية، بينما تم توصيف الترتيب الجزيئي بالتعاون مع مختبر البروفيسورة جوانا آيزنبرغ (Joanna Aizenberg) باستخدام تشتت الأشعة السينية في مختبر بروكهافن الوطني (Brookhaven National Laboratory).
قام الفريق بطباعة ألياف يصل قطرها إلى 100 ميكرومتر فقط، ويعتقدون أن هناك مجالًا لتصغيرها أكثر. قال طالب الدراسات العليا والمؤلف المشارك جاكسون ويلت (Jackson Wilt): "فيما يتعلق بقابلية التوسع، يمكن في المستقبل تصنيع فوهات أكثر تعقيدًا، ودمج مواد أخرى، مثل إضافة قنوات معدنية سائلة لتحقيق التشغيل، أو دمج وظائف أخرى."
تشمل التطبيقات التي يتصورها الفريق ملاقط لينة قابلة لإعادة التشكيل، ومرشحات وصمامات قابلة للضبط، بالإضافة إلى ألياف قابلة للحقن، والتي يمكن أن تشكل في الجسم هياكل مسامية تعزز تكوين الجلطات، لاستخدامها في المجالات الطبية الحيوية. وكما قالت لويس: "يمكن لهذا الإطار لتصميم وطباعة الألياف أن يسرع انتقال المواد الشبيهة بالعضلات الاصطناعية من المختبر إلى التطبيقات التكنولوجية الواقعية."
أشار فريق هارفارد أيضًا إلى حدود النظام الحالي. يُعد التصغير أحد القيود المباشرة: فدقة الفوهة محدودة بطابعة راتنج DLP المستخدمة في تصنيع رؤوس البثق المخصصة، مما يحد من أبعاد الميزات إلى حوالي 50 ميكرومتر. وقد نجح تقليل قطر الفوهة من 1 ملم إلى 0.5 ملم في خفض قطر الألياف من 600 ميكرومتر إلى 300 ميكرومتر، ولكن على حساب الحاجة إلى سرعات طباعة أقل على المقاييس الأصغر، مما قلل من الترتيب الجزيئي المستحث بالقص للبوليمر البلوري السائل المرن. وبما أن الترتيب الجزيئي هو مصدر التشغيل، فهناك مقايضة مباشرة بين التصغير والأداء.
يُعد الاعتماد على درجة الحرارة قيدًا عمليًا آخر. تعتمد جميع عمليات التشغيل على تسخين العينة إلى ما فوق درجة حرارة التحول من الطور النيماتيكي إلى الطور الخواص للبوليمر البلوري السائل المرن، وهي عتبة أعلى بكثير من الظروف البيئية في تركيبة الحبر الحالية. تم إجراء العروض التوضيحية بغمر الشبكة البلورية في حمام زيت سيليكون ساخن، وهو إعداد يختلف بشكل كبير عن البيئات غير المقيدة أو المدمجة في الجسم أو الظروف البيئية المطلوبة لتطبيقات الروبوتات اللينة والطب الحيوي.
يشمل المؤلفون المساهمون في هذه الدراسة يونسو جونغ (Yeonsu Jung)، ورودريغو تيليس (Rodrigo Telles)، وغورميندر ك. بينك (Gurminder K. Paink)، وناتالي م. لارسون (Natalie M. Larson). تم تمويل البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (National Science Foundation) من خلال مركز هارفارد لأبحاث علوم وهندسة المواد، ومكتب أبحاث الجيش من خلال برنامج أبحاث الجامعات متعددة التخصصات. تم تنفيذ الأعمال التجريبية في مركز هارفارد لأبحاث النطاق النانوي ومصدر ضوء السنكروترون في مختبر بروكهافن الوطني، بدعم من NSF ووزارة الطاقة على التوالي. بدأ مكتب نقل التكنولوجيا في هارفارد إجراءات حماية الملكية الفكرية لهذا الابتكار الأساسي، ويستكشف حاليًا سبل تسويقه.
تُعد هذه النتيجة الأخيرة لمختبر لويس جزءًا من مسار أبحاث هارفارد في المواد اللينة القابلة للبرمجة. قادت دراسة سابقة للمجموعة، بقيادة جاكسون ويلت والباحثة ما بعد الدكتوراه السابقة ناتالي لارسون (Natalie Larson)، إلى تصنيع هياكل روبوتية لينة ذات مسارات تشغيل مدمجة باستخدام نفس منصة الطباعة ثلاثية الأبعاد الدوارة متعددة المواد، مما يشير إلى تطبيقات في الروبوتات الجراحية وتقنيات المساعدة البشرية. قامت لويس والأستاذة في جامعة برينستون إميلي ديفيدسون (Emily Davidson) بتحسين علم توجيه البلورات السائلة أثناء عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البثق، محولتين العملية من فن تجريبي إلى تخصص أكثر دقة وقابلية للقياس، مما وضع الأساس لتصنيع موثوق به على نطاق واسع للمواد القائمة على البوليمرات البلورية السائلة المرنة. تجذب البوليمرات البلورية السائلة المرنة الآن اهتمام مجالات الروبوتات اللينة، وتخميد الطاقة، والهندسة الطبية الحيوية. إن القدرة على برمجة تغير شكل الألياف مسبقًا أثناء الطباعة تزيل عقبة رئيسية أمام تحويل النتائج المختبرية إلى أجهزة قابلة للاستخدام.
تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com
