هيدروجيل يغيّر اتجاه التفافه بالضوء ثم يعود كما كان
برمج باحثون هيدروجيلا متجانسا بالضوء ليصنع التفافات يمينية ويسارية، ثم يمحوها في الظلام ويستخدمها في حركة دورانية. نجحت الفكرة بسرعة وبصورة قابلة للعكس داخل المختبر، لكنها لم تثبت بعد قوة تشغيل مفيدة أو متانة طويلة أو عملا داخل روبوت جاهز.
نجح باحثون في تحويل شريط مسطح من الهيدروجيل إلى لولب يلتف يمينا أو يسارا، من دون تغيير تركيب المادة أو استبدالها. يكفي توزيع الضوء بطريقة مختلفة، ثم يختفي الشكل عندما يبقى الشريط في الظلام ويصبح جاهزا لبرمجة جديدة.
الخلاصة في 30 ثانية
- ماذا حدث؟ صنع فريق من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين هيدروجيلا حساسا للضوء يمكن توجيه انتفاخه مكانيا.
- لماذا يهم؟ المادة الواحدة صنعت حلزونات والتواءات باتجاهين، وحولت هذا التغير إلى دوران ذاتي في تجربة على مشغل لين.
- ما الذي لم يُثبت؟ لم تختبر الدراسة روبوتا مستقلا أو حمولة عملية أو متانة طويلة خارج ظروف المختبر.
الرقم الأهم
زاد حجم الهيدروجيل بأكثر من 80 ألف في المئة خلال 40 ثانية في ظروف التجربة المنشورة.
لماذا يحتاج الروبوت اللين إلى التحكم في اتجاه الالتفاف؟
يميل اللولب أو النابض عادة إلى اتجاه ثابت تحدده بنيته منذ التصنيع. أما الروبوت اللين فقد يحتاج إلى تبديل اتجاه الانحناء كي يمسك جسما، أو يغير مساره، أو يمر داخل قناة ضيقة من دون إضافة محركات صلبة كثيرة.
اعتمدت تجارب سابقة على طبقات مختلفة أو أنماط دائمة داخل المادة. في الدراسة الجديدة بقي الشريط متجانسا، بينما صنع الضوء فرقا مؤقتا في مقدار الانتفاخ بين أجزائه، وهذا الفرق هو الذي اختار اتجاه اللولب.
سبق أن تناولت نيوتقنية روبوتا لينا يساعد الإنسان على ارتداء الملابس أثناء الحركة. هناك جاءت المرونة من تصميم الروبوت، أما هنا فتتغير هندسة المادة نفسها عند الطلب.
كيف يكتب الضوء شكلا جديدا داخل الهيدروجيل؟
تضم شبكة البوليمر جزيئات سبيروبيران (Spiropyran) تتبدل بنيتها عند الإضاءة. يؤدي هذا التحول إلى تغيير الروابط داخل الشبكة وجذب الماء، فينتفخ الجزء المضاء بسرعة أكبر.
عندما يصل الضوء إلى جانب واحد، ينشأ تدرج غير متماثل في الإجهاد ويظهر شكل حلزوني. وعندما يوزع الفريق الضوء على الجانبين بطريقة أخرى، يتبدل نمط الإجهاد وينتج التواء مختلف. بعد إطفاء الضوء تنكمش الشبكة في الظلام، فيعود الشريط إلى حالته الأولى.
جمع الباحثون أيضا مناطق تلتف في اتجاهين متعاكسين داخل القطعة نفسها وصنعوا أشكالا تشبه محاليق النبات. وفي تجربة حركة، أدى تغير الشكل إلى دوران ذاتي، ما يثبت أن الالتفاف قادر على توليد فعل ميكانيكي وليس مجرد منظر لافت.
قبل أن نبالغ في النتيجة
- اختبرت الدراسة عينات مخبرية وإضاءة مضبوطة، ولم تقدم روبوتا مستقلا يعمل في بيئة حقيقية.
- نسبة 80 ألف في المئة تقيس زيادة الحجم، ولا تعني أن المادة تتحرك بالسرعة نفسها أو ترفع حمولة كبيرة.
- لم تحسم الورقة عدد دورات البرمجة التي تتحملها المادة قبل التعب، ولا كفاءة الطاقة أو القوة عند تكبير الحجم.
- يجب أن يصل الضوء إلى الهيدروجيل، وقد يصبح ذلك صعبا داخل بيئة معتمة أو مزدحمة.
ما الذي يجب اختباره بعد ذلك؟
الاختبار الحاسم هو تكرار الكتابة والمسح آلاف المرات مع قياس فقدان السرعة والدقة. ويحتاج المطورون أيضا إلى تعليق حمولة حقيقية بالشريط، ثم مقارنة القوة والطاقة المستهلكة بمواد التشغيل اللينة الأخرى.
توفر مادة هيدروجيل سابقة حافظت على اتصال مستشعرات الجسم أثناء التعرق مثالا على وظيفة مختلفة للشبكات الغنية بالماء. تلك المادة ثبتت الأقطاب على الجلد، بينما تحول الدراسة الجديدة اختلاف الانتفاخ إلى حركة.
الخلاصة
الجديد هنا ليس تحريك مادة لينة بالضوء وحده، بل إعطاء شريط متجانس قدرة قابلة للمحو على اختيار اتجاهين متعاكسين للالتفاف ثم إنتاج دوران. ستحدد اختبارات القوة والتعب ووصول الضوء ما إذا كان هذا التحكم يتحول من عرض أنيق إلى مكوّن روبوتي عملي.
كيانات وموضوعات موثّقة
المصادر والمراجع3 مصادر
المراجع الخارجية المستخدمة لدعم المعلومات الواردة في هذا المقال.
- Nature Communications: Reconfiguring handed shape-morphing and actuation in hydrogels via light-encoded rapid expansion
- Nature Communications: High speed underwater hydrogel robots with programmable motions powered by light
- Nature Communications: In-air fast response and high speed jumping and rolling of a light-driven hydrogel actuator
نشر بواسطة
مكتب نيو تقنية – الروبوتات
فريق تحريري مؤسسي تابع لنيو تقنية
