علماء يحولون بكتيريا حية إلى حساس قوة قابل للتمدد

تُصنع معظم الحساسات الإلكترونية من المعادن أو السيليكون أو البوليمرات. لكن فريقاً بحثياً عرض احتمالاً أكثر غرابة: بكتيريا معدلة وراثياً تتجمع في شبكة موصلة للكهرباء، وتقيس القوة حتى أثناء تعرضها لتمدد شديد.

الرقم الأهم
ارتفعت المقاومة الكهربائية للحساس بنحو 30% فقط عندما مُدّد إلى 800% من طوله الأصلي، وفقاً لنتائج الباحثين.

لماذا نصنع حساساً من خلايا حية؟

تدخل الحساسات القابلة للتمدد في تجارب الجلد الإلكتروني واللصقات الطبية والروبوتات اللينة. لكن التمدد يخلق مشكلة أساسية: قد تتغير مقاومة المادة الكهربائية لمجرد أنها أصبحت أطول أو أنحف، فيصعب التمييز بين القوة المطلوب قياسها وبين تشوه الحساس نفسه.

تستخدم الدراسة المنشورة في دورية Nature Communications في 23 يوليو مادة حية مهندسة (Engineered Living Material)، أي مادة تؤدي فيها الخلايا الحية جزءاً من الوظيفة. وبدلاً من التعامل مع البكتيريا كشيء ينبغي للحساس اكتشافه، جعلها الباحثون جزءاً من طبقة الاستشعار.

تكمن أهمية الفكرة في قدرة الأنظمة الحية على بناء تراكيب معقدة انطلاقاً من وحدات صغيرة. ومن حيث المبدأ، يمكن للمكونات البيولوجية أن توفر خصائص يصعب تقليدها بالإلكترونيات التقليدية، مثل إعادة التشكيل والاستجابة للبيئة. لكن الدراسة تعرض فكرة جهاز، لا منتجاً جاهزاً للمعصم أو المصنع أو المستشفى.

كيف تعمل الشبكة البكتيرية؟

عدّل الباحثون الخلايا وراثياً كي تعرض على أسطحها أزواجاً من الجزيئات القادرة على الارتباط. شجعت هذه الجزيئات الخلايا المنفردة على التشابك، فتحولت مجموعة مجهرية إلى شبكة كبيرة يمكن استخدامها كمادة.

أدت الشبكة الميكروبية دور المسار الموصل وطبقة الاستشعار معاً. ووضعها الفريق داخل أنابيب مرنة لحماية الخلايا مع إبقاء الجهاز قابلاً للانحناء والتمدد. وعند تطبيق قوة، تغير السلوك الكهربائي للشبكة وظهر منه قياس يمكن قراءته.

يقول الباحثون إن نطاق القياس قابل للضبط، وإن الحساس يستعيد حالته خلال عشرات الأجزاء من الألف من الثانية. أما النتيجة الأبرز فهي أن الشبكة لا تتأثر كثيراً بالتمدد وحده: فعند استطالة بلغت 800%، ارتفعت مقاومتها بنحو 30% فقط. والقدرة على فصل أثر التمدد عن القوة هي الادعاء الهندسي الأهم في الدراسة.

أين يمكن أن تصبح الفكرة مفيدة؟

قد يساعد حساس لين ومتين الروبوت على تقدير قوة قبضته على جسم ما من دون الاعتماد على قطعة صلبة. وقد يُدمج مستقبلاً في أدوات تحكم مرنة أو أنظمة تتبع الحركة أو واجهات تستجيب للسحب والضغط وحركة الإنسان.

هناك فرصة علمية أوسع أيضاً. فالقوى الميكانيكية تحمل معلومات مهمة داخل الجسم، من تدفق الدم وحركة العضلات إلى تغير صلابة الأنسجة. وتشير مراجعات علمية في مجال الطب الميكانيكي والإلكترونيات الحيوية إلى أن قياس هذه القوى قد يفيد في متابعة الصحة ودراسة الأمراض. لم يثبت الحساس البكتيري قدرته على أداء هذه المهام الطبية، لكنه ينضم إلى اتجاه يسعى لجعل الحساسات أكثر ليونة وملاءمة للبيئات المعقدة.

وسبق لفرق أخرى أن وضعت بكتيريا نشطة كهربائياً داخل مواد هلامية لرصد مركبات كيميائية، ما يوضح إمكان ربط الخلايا الحية بقراءات إلكترونية. أما الدراسة الجديدة فتستخدم شبكة ميكروبية متجمعة لقياس القوة الميكانيكية.

ما الذي يجب إثباته بعد ذلك؟

لا تتمثل الخطوة التالية في تمديد الجهاز لمسافة أكبر فحسب. ينبغي لفرق مستقلة إعادة التجربة، واختبار مدى تشابه القراءات بين دفعات التصنيع. كما يجب قياس العمر التشغيلي وانحراف المعايرة والاستجابة لقوى متعددة، ومعرفة ما يحدث إذا تضرر الغلاف الواقي.

وللاستخدام العملي، قد تحتاج الشبكة الحية إلى تغذية موثوقة واحتواء محكم، أو إلى طريقة تبقيها في حالة خاملة ومنضبطة من دون فقدان الوظيفة. وسيكون على المهندسين مقارنتها بحساسات مرنة غير حية تتحسن بسرعة من حيث الكلفة والدقة والأثر البيئي.

الخلاصة

لا يعني الإنجاز أن كل حساس ضغط سيُستبدل بالبكتيريا. الأهم أنه يوسع قائمة المواد المتاحة للمهندسين. فعبر برمجة الخلايا كي تبني تركيباً موصلاً، جعل الباحثون الأحياء جزءاً من جهاز إلكتروني. وإذا أمكن حل أسئلة السلامة والموثوقية الصعبة، فقد تضم آلات المستقبل مكونات ليست مستوحاة من الحياة فقط، بل حية جزئياً.