باحثون في جامعة شتوتغارت الألمانية يطوّرون مشغّلًا دقيقًا حيويًا قادرًا على تحريك أجسام تزن 30 ضعف وزنه

أخبار ar.wedoany.com، طوّر فريق بحثي بقيادة الدكتورة زاكلينا بورغارد في معهد علوم المواد بجامعة شتوتغارت (Institute for Materials Science at the University of Stuttgart) منصة تصنيع تتيح تحويل الأغشية الرقيقة فائقة السُمك إلى ملفات دقيقة خزفية ثلاثية الأبعاد قابلة للبرمجة خلال ثوانٍ، لتُستخدم كمكوّنات تشغيل مضغوطة في الروبوتات الدقيقة والروبوتات اللينة في المستقبل. ويُعد هذا الإنجاز ثمرة أبحاث بورغارد طويلة الأمد في مجال أنظمة المواد الخزفية المستوحاة من الطبيعة.

تتميز الروبوتات الدقيقة بحجمها المتناهي في الصغر، مما يمنحها إمكانات تطبيقية واعدة في المجالين الطبي والصناعي؛ بينما تعتمد الروبوتات اللينة على مواد مرنة وقابلة للتكيف لتعزيز قدرتها على التكيّف والسلامة التشغيلية. وكما هو الحال في الروبوتات التقليدية، تحتاج أنظمة التشغيل في هذين النوعين إلى التحكم في الحركة أو الإمساك بالأشياء، غير أن صغر حجم الأنظمة الدقيقة بشكل كبير، واشتراط القدرة على التشوه المرن في الروبوتات اللينة، يفرضان متطلبات جديدة كليًا على المكونات، وغالبًا ما لا يمكن تلبيتها إلا من خلال مواد مبتكرة.

استلهم فريق البحث حركة الالتفاف والانبساط في خرطوم الفراشة، فقاموا بإعداد أغشية رقيقة فائقة السُمك من خامس أكسيد الفاناديوم تحتوي على جسيمات نانوية مغناطيسية من أكسيد الحديد. وأثناء التصنيع، استخدم الباحثون شفرة لفصل الغشاء الخزفي الرقيق عن الركيزة بلطف، مع استمرار الشفرة في ثني الغشاء المنزوع، مما يؤدي إلى التفافه في ملفات دقيقة متراصة خلال ثوانٍ. وعند تقريب مغناطيس من الملف الدقيق، ينفتح بسرعة؛ وبمجرد إزالة المجال المغناطيسي، يعود للالتفاف من جديد.

على عكس الخزف التقليدي، تتميز هذه الأغشية فائقة الرقة بالمرونة. وينبع سلوكها الميكانيكي الفريد من بنيتها الهرمية النانوية والميكرومترية المستوحاة من الطبيعة، والتي تتيح تحقيق تشوه مرن مع الحفاظ على السلامة البنيوية للمادة الخزفية. يبلغ عرض الملفات الدقيقة التي صنعها الباحثون بضعة ميكرومترات فقط، ويتراوح قطرها عند الالتفاف بين بضع مئات من الميكرومترات، بينما يصل طولها عند الانبساط إلى 25 مليمترًا. وفي التجارب، أظهرت الملفات الدقيقة قدرة على العمل بشكل طبيعي بعد 5000 دورة، كما تمكنت من تحريك أجسام يتجاوز وزنها 30 ضعف وزنها.

وأوضحت بورغارد أن الملفات الدقيقة يمكن ترتيبها في مصفوفات قابلة للبرمجة، مما يتيح تشغيل عدة مشغّلات في وقت واحد لتنفيذ مهام منسقة مثل رفع الأجسام الصغيرة أو نقلها أو التحكم فيها. ويُعزى اختيار خامس أكسيد الفاناديوم كمادة نموذجية إلى كونه مادة أساسية في أبحاث بورغارد على مدى سنوات، مما وفر الأساس لتطوير منصة التصنيع.

وأشارت بورغارد إلى أن المشغّل ليس سوى البداية، فالإبداع الحقيقي يكمن في منصة الالتفاف نفسها، التي يمكن نقلها إلى العديد من مواد الأغشية العضوية وغير العضوية المختلفة، مما يفتح آفاقًا لاستخدامها في المكونات الإلكترونية وأجهزة الاستشعار وأنظمة تخزين الطاقة وغيرها من الأنظمة الدقيقة متعددة الوظائف في المستقبل.

بدأ هذا العمل في إطار مشروع ممول من مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG) بقيادة بورغارد. وقد أجرى سيمي كيم أولى الدراسات التجريبية في رسالة الماجستير التي أنجزها عام 2023، مما وضع الأساس للبحث الحالي. وتُجرى الدراسة في قسم المواد المستوحاة من الطبيعة بمعهد علوم المواد، الذي يتخذ من الطبيعة مصدر إلهام له ويدمجها مع علوم المواد الحديثة، من خلال الجمع بين الفيزياء والكيمياء والنمذجة الحاسوبية ومبادئ تصميم المواد الحيوية، لتطوير الجيل القادم من المواد الوظيفية والأنظمة الدقيقة القابلة للبرمجة.