بحث
أدت الأبحاث المتعلقة بالمواد النانوية إلى تطوير أجهزة جلدية مرنة يمكنها مراقبة العلامات الحيوية وتوليد الطاقة من حركة الإنسان.
تستمر التكنولوجيا القابلة للارتداء في التطور على مسار يشير إلى التكامل المتزايد بين الأجهزة الإلكترونية وجسم الإنسان. وفي هذا السياق، تُجرى أبحاث حول وشم الكترونييمثل الوشم الإلكتروني أحد أكثر الاتجاهات الواعدة للتغلب على قيود الأجهزة القابلة للارتداء الحالية.
يقدم المشروع، الذي طُوّر في جامعة ولاية بويز في ولاية أيداهو، نهجًا يجمع بين المواد المتقدمة وعمليات التصنيع النانوية ومنطق التفاعل الجديد بين الإنسان والآلة. وقد نُشر البحث في المجلة العلمية العلوم المتقدمة، هو نتيجة عمل فريق متعدد التخصصات يتألف من الباحثون 17 بين أعضاء هيئة التدريس والموظفين.
التكنولوجيا القابلة للارتداء نحو التكامل غير المرئي والمستمر
في السنوات الأخيرة، رسّخت الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية معايير التكنولوجيا القابلة للارتداء، إلا أنها لا تزال تعاني من قيود واضحة فيما يتعلق بالراحة والمراقبة المستمرة واستهلاك الطاقة. ولذلك، يركز القطاع البحثي جهوده على إيجاد حلول توفر تفاعلاً أكثر مباشرة مع جسم الإنسان.
في هذا السيناريو نجد إلكترونيات الجلدأجهزة مصممة لتلتصق بالجلد كطبقة بشرة ثانية. والهدف هو تحقيق مراقبة مستمرة وغير جراحية للمعايير الفسيولوجية، مع تقليل حجم الجهاز وتحسين دقة البيانات التي يتم جمعها.
كيف تفسرون أجاي براتابطالب دكتوراه في علوم وهندسة المواد،
"الوشم الإلكتروني هو مصطلح فاخر للإلكترونيات التي يتم وضعها على الجلد: يمكننا قصها بأي شكل ووضعها مباشرة مثل الوشم، لكنها قابلة للإزالة."
كما أن الطبيعة الوظيفية للمواد تسمح بتطبيقات متعددة:
"يمكن استخدامها لحصاد الطاقة أو للمراقبة، على سبيل المثال تخطيط كهربية القلب أو نشاط العضلات."
بحسب محللي الصناعة، فإن هذا التطور يستجيب لعاملين رئيسيين: من جهة، نمو الصحة الرقميةمن جهة أخرى، تبرز الحاجة إلى حلول مستقلة عن الطاقة للأجهزة التي تصغر حجماً بشكل متزايد. وتقع الوشوم الإلكترونية تحديداً عند نقطة التقاء هذين العاملين.
المواد النانوية وعمليات الغزل الكهربائي أساس الابتكار
يكمن العنصر المميز في البحث الذي أجرته مجموعة الدراسة بقيادة براتاب، تحت إشراف البروفيسور ديفيد إسترادا، في الاستخدام المشترك لـ ألياف نانوية بوليمرية ومواد متطورة مثل مكينزوخاصة كربيد التيتانيوم. تسمح عملية الغزل الكهربائي بإنتاج هياكل رقيقة ومرنة للغاية، تشكل مصفوفة تشبه نسيجًا نانويًا.
"تستخدم آلة الغزل الكهربائي مجالًا كهربائيًا عاليًا بين إبرة وأسطوانة لسحب البوليمر وتحويله إلى ألياف نانوية."
يوضح إسترادا ذلك.
"تستقر هذه الألياف بنمط منسوج عشوائياً، يشبه طبق السباغيتي."
تُرسب مواد MXenes، وهي مواد ثنائية الأبعاد معروفة بخصائصها الكهربائية والميكانيكية، على هذه المصفوفة. يتيح هذا المزيج إمكانية إنشاء أجهزة تحافظ على التوصيلية والوظائف حتى في ظل ظروف التشوه، مثل التمدد والضغط والالتواء يحافظ على استقرار الجلد، ويضمن استقراره التشغيلي حتى أثناء الاستخدام اليومي.
والنتيجة هي جهاز رقيق للغاية ومرنيمكن تطبيقه مباشرة على الجلد وإزالته بمحاليل بسيطة مثل الكحول. وعلى عكس النماذج الأولية الأخرى للإلكترونيات الجلدية، يركز النظام المطوّر أيضًا على استدامة المواد.
"نحن من بين المجموعات القليلة في العالم التي تستخدم هذا البوليمر لهذا التطبيق."
يؤكد إسترادا.
"نعتقد أنه أكثر ملاءمة للبيئة من المواد الأخرى الشائعة الاستخدام في هذا المجال."
المراقبة البيومترية وحصاد الطاقة المتكامل
من الناحية الوظيفية، تُظهر الوشوم الإلكترونية إمكانيات كبيرة للتطبيقات في مجالي الرعاية الصحية والرياضة. وقد أبرزت الاختبارات التي أُجريت إمكانية الكشف عن إشارات مثل تخطيط كهربية القلب (ECG) ed تخطيط كهربية العضلات (EMG) مع ثبات عالٍ حتى أثناء الحركة.
لكن الابتكار الحقيقي يظهر في تكامل أنظمة حصاد الطاقةهذه الأجهزة قادرة على تحويل الطاقة الميكانيكية الناتجة عن حركة الإنسان (مثل المشي) إلى طاقة كهربائية يمكن استخدامها بواسطة أجهزة استشعار منخفضة الطاقة.
"في المتوسط، يخطو الشخص ما بين 5.000 و 10.000 خطوة يومياً، مما يولد حوالي واحد إلى اثنين كيلوجول من الطاقة."
يلاحظ براتاب.
"هدفنا هو تسخير هذه الطاقة لتشغيل الأجهزة منخفضة الطاقة، مثل أجهزة استشعار معدل ضربات القلب أو الساعات الذكية."
بالنظر إلى أن الشخص العادي يخطو آلاف الخطوات يوميًا، فإن القدرة على استعادة ولو جزء بسيط من هذه الطاقة تفتح آفاقًا واعدة لعمر بطاريات الأجهزة القابلة للارتداء. وبالنظر إلى المستقبل، قد يساهم هذا النهج في تقليل الاعتماد على البطاريات التقليدية، التي تُعدّ إحدى أبرز المعوقات في هذا القطاع.
الآثار الصناعية ونماذج التطبيقات الناشئة الجديدة
قد يكون لإدخال تقنية الوشم الإلكتروني تأثير كبير على العديد من قطاعات السوق. ففي قطاع الرعاية الصحية، تُمكّن هذه الأجهزة من تطوير نماذج من المراقبة المستمرة عن بعد، وهو أمر ضروري لإدارة الأمراض المزمنة وللطب الوقائي.
في القطاع الرياضي، تتيح هذه التقنيات إمكانية جمع البيانات الفسيولوجية في الوقت الفعلي دون التأثير على أداء الرياضي. وفي الوقت نفسه، تفتح آفاقاً جديدة في مجال السلامة المهنية، حيث يمكن أن يساعد رصد الحالة البدنية في منع الحوادث.
من وجهة نظر صناعية، يتمثل التحدي الرئيسي في قابلية التوسع في عمليات الإنتاج والتكامل مع المنصات الرقمية الحالية. ويظل الإنتاج واسع النطاق للمواد النانوية وتوحيد معاييرها أمراً بالغ الأهمية، وكذلك إدارة البيانات التي تولدها هذه الأجهزة.
ومن المجالات الأخرى ذات الأهمية الحد من النفايات الإلكترونية. إذ إن إمكانية استخدام مواد أكثر استدامة وأجهزة قابلة للإزالة بسهولة قد تساعد في تخفيف الأثر البيئي للتكنولوجيا القابلة للارتداء، وهو موضوع يزداد أهمية في الاستراتيجيات الصناعية.
نحو جيل جديد من واجهات التفاعل بين الإنسان والآلة
تشير التطورات في مجال الوشم الإلكتروني إلى اتجاه واضح: التطور نحو واجهات متكاملة، سرية، ومستقلة بشكل متزايد. إذا تم التغلب على التحديات التقنية والتصنيعية، فبإمكان هذه الأجهزة إعادة تعريف مفهوم الأجهزة القابلة للارتداء، وتحويلها إلى عنصر شبه غير مرئي في الحياة اليومية.
وبالنظر إلى المستقبل، فإن التقارب بين مواد متقدمة, الإلكترونيات الدقيقة e التكنولوجيا الحيوية قد يؤدي ذلك إلى ظهور أنظمة بيئية من الأجهزة المترابطة، القادرة على التواصل مباشرة مع جسم الإنسان والبنى التحتية الرقمية المحيطة.
كما أكد فريق البحث، كان الطابع متعدد التخصصات للمشروع - الذي شمل خبرات في الفيزياء والهندسة الكهربائية والعلوم الجزيئية الحيوية والهندسة الطبية الحيوية - بالغ الأهمية من الناحية التشغيلية. وكما يؤكد براتاب نفسه، كان العمل التعاوني عاملاً أساسياً في نجاح المشروع، بفضل الدعم المستمر بين الباحثين والقدرة على معالجة القضايا الحرجة بشكل مشترك.
جولة افتراضية في كلية ميكرون لعلوم وهندسة المواد بجامعة بويز
فيما يلي ثلاث أفكار قد تهمك:
DNA اوريغامي ميكانو للروبوتات النانوية في المستقبل
خطوة واحدة أقرب إلى الوقود الشمسي المتولد ... من الهواء
أنف إلكتروني للتحليل الكيميائي للروائح
