جامعة الملك عبد الله للعلوم : ابتكار جلد مطاطي يمكنه إصلاح نفسه حتى 5000 مرة
تاريخ النشر: 29 نوفمبر 2020 22:43 KSA
كشف فريق من الباحثين في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، عن تطوير جلد صناعي قوي ومرن وحساس يمكنه إصلاح نفسه حتى 5000 مرة، ويمكن استخدامه في الأطراف الصناعية المستقبلية.
ونقلاً عن دورية Science Advances العلمية، يُعرف الابتكار الجديد باسم "الجلد الإلكتروني"، ويقول الفريق البحثي إنه يمكن تطوير استخداماته في المستقبل لمراقبة صحة الأشخاص أو الحالة الهيكلية للطائرات، لأنه حساس مثل جلد الإنسان. في حين أن هذه ليست المرة الأولى التي يحاول فيها العلماء استنساخ جلد الإنسان "إلكترونيًا"، إلا أن المحاولات السابقة فشلت في مطابقة الاستنساخ القياسي. ويمكن لهذا النموذج الأولي للابتكار استشعار الأشياء من مسافة تصل إلى ثماني بوصات، والتفاعل مع الأشياء في أقل من عُشر من الثانية، وإصلاح نفسه أكثر من 5000 مرة.
وقال الباحث الرئيسي في الدراسة الدكتور ياتشن كاي، إن الجلد الإلكتروني المثالي يجب أن يحاكي العديد من الوظائف الطبيعية لجلد الإنسان، مثل استشعار درجة الحرارة واللمس، في الوقت الفعلي. وأوضح كاي قائلًا: "إن صنع إلكترونيات مرنة بشكل مناسب يمكنها أداء مثل هذه المهام الدقيقة مع تحمل الصدمات والخدوش في الحياة اليومية يمثل تحديًا، ويجب تصميم كل مادة معنية بعناية".
جمعت المحاولات السابقة لنسخ جلد الإنسان طبقة مستشعر، مصنوعة من مادة نانوية نشطة، مع طبقة قابلة للتمدد تلتصق بجلد الإنسان. لكن كان الاتصال بين هاتين الطبقتين غالبًا ما يكون ضعيفًا جدًا أو قويًا جدًا، مما يقلل من متانته أو حساسيته أو مرونته، ومما يجعله أكثر عرضة للكسر. وقال الدكتور كاي: إن التجارب لإنتاج جلد إلكتروني تشهد تغييرات بوتيرة مذهلة، حيث أدى "ظهور المستشعرات ثنائية الأبعاد إلى تسريع الجهود المبذولة لدمج هذه المواد النحيفة ذريًا والقوية ميكانيكيًا في جلود اصطناعية وظيفية ودائمة".
واستخدم الباحثون هيدروجيل مقوى بجسيمات السيليكا النانوية لإنشاء "سطح مرن" ودمجه مع مستشعر مكسين ثنائي الأبعاد من كربيد التيتانيوم باستخدام أسلاك نانو عالية التوصيل. وقال الباحث المشارك الدكتور جي شين: تتكون "الهلاميات المائية من أكثر من 70% من الماء، مما يجعلها متوافقة للغاية مع أنسجة جلد الإنسان".
وتوصل الباحثون إلى أنه من خلال التمدد المسبق للهيدروجيل في جميع الاتجاهات، ثم تطبيق طبقة من الأسلاك النانوية والتحكم في إطلاقها أمكن إنشاء مسارات إلى طبقة المستشعر التي ظلت سليمة حتى لو تم شد المادة إلى 28 ضعفًا لحجمها الأصلي. ويشير الباحثون إلى أن النموذج الأولي للجلد الإلكتروني المبتكر يمكن أن يستشعر الأشياء من على بعد ثماني بوصات ويستجيب للمنبهات في أقل من عُشر من الثانية.
في الوقت نفسه، يتميز الجلد الإلكتروني الجديد بأنه حساس للغاية لدرجة أنه يستطيع التمييز بين الكتابة اليدوية المكتوبة على سطحه ويتحمل 5000 علامة تشويه، ثم يتعافى في غضون ربع ثانية تقريبًا.
وقال الدكتور شين: "إنه إنجاز مذهل أن تحافظ البشرة الإلكترونية على المتانة بعد الاستخدام المتكرر، وهو ما يحاكي مرونة الجلد البشري وتعافيه مجددًا بسرعة". ويمكن للاختراع الجديد أن يساعد في صنع أطراف صناعية قادرة أيضًا على مراقبة المعلومات البيولوجية، من بينها التغيرات في ضغط الدم، والتي يمكن بث معلوماتها عبر واي فاي إلى السحابة لتخزينها للاطلاع عليها وقت الحاجة بواسطة الأطباء والمختصين. وقال الباحث المشارك في الدراسة فينسينت تونغ: "تكمن إحدى العقبات المتبقية أمام الاستخدام الواسع للجلود الإلكترونية في رفع مستوى أجهزة الاستشعار عالية الدقة، ولكن يعد التصنيع الإضافي بمساعدة الليزر وعدًا جديدًا".
وفي حين أن التطبيق الأول للجلد الإلكتروني يستهدف الاستخدامات الطبية إلا أن الفريق البحثي يأمل في أن تمتد استخدامات الجلد الإلكتروني لتشمل مجموعة واسعة من المنتجات، وفقًا لما ذكره الدكتور كاي، من بينها شريط الاستشعار لقياس السلامة الهيكلية للأثاث والطائرات والمباني.
ونقلاً عن دورية Science Advances العلمية، يُعرف الابتكار الجديد باسم "الجلد الإلكتروني"، ويقول الفريق البحثي إنه يمكن تطوير استخداماته في المستقبل لمراقبة صحة الأشخاص أو الحالة الهيكلية للطائرات، لأنه حساس مثل جلد الإنسان. في حين أن هذه ليست المرة الأولى التي يحاول فيها العلماء استنساخ جلد الإنسان "إلكترونيًا"، إلا أن المحاولات السابقة فشلت في مطابقة الاستنساخ القياسي. ويمكن لهذا النموذج الأولي للابتكار استشعار الأشياء من مسافة تصل إلى ثماني بوصات، والتفاعل مع الأشياء في أقل من عُشر من الثانية، وإصلاح نفسه أكثر من 5000 مرة.
وقال الباحث الرئيسي في الدراسة الدكتور ياتشن كاي، إن الجلد الإلكتروني المثالي يجب أن يحاكي العديد من الوظائف الطبيعية لجلد الإنسان، مثل استشعار درجة الحرارة واللمس، في الوقت الفعلي. وأوضح كاي قائلًا: "إن صنع إلكترونيات مرنة بشكل مناسب يمكنها أداء مثل هذه المهام الدقيقة مع تحمل الصدمات والخدوش في الحياة اليومية يمثل تحديًا، ويجب تصميم كل مادة معنية بعناية".
جمعت المحاولات السابقة لنسخ جلد الإنسان طبقة مستشعر، مصنوعة من مادة نانوية نشطة، مع طبقة قابلة للتمدد تلتصق بجلد الإنسان. لكن كان الاتصال بين هاتين الطبقتين غالبًا ما يكون ضعيفًا جدًا أو قويًا جدًا، مما يقلل من متانته أو حساسيته أو مرونته، ومما يجعله أكثر عرضة للكسر. وقال الدكتور كاي: إن التجارب لإنتاج جلد إلكتروني تشهد تغييرات بوتيرة مذهلة، حيث أدى "ظهور المستشعرات ثنائية الأبعاد إلى تسريع الجهود المبذولة لدمج هذه المواد النحيفة ذريًا والقوية ميكانيكيًا في جلود اصطناعية وظيفية ودائمة".
واستخدم الباحثون هيدروجيل مقوى بجسيمات السيليكا النانوية لإنشاء "سطح مرن" ودمجه مع مستشعر مكسين ثنائي الأبعاد من كربيد التيتانيوم باستخدام أسلاك نانو عالية التوصيل. وقال الباحث المشارك الدكتور جي شين: تتكون "الهلاميات المائية من أكثر من 70% من الماء، مما يجعلها متوافقة للغاية مع أنسجة جلد الإنسان".
وتوصل الباحثون إلى أنه من خلال التمدد المسبق للهيدروجيل في جميع الاتجاهات، ثم تطبيق طبقة من الأسلاك النانوية والتحكم في إطلاقها أمكن إنشاء مسارات إلى طبقة المستشعر التي ظلت سليمة حتى لو تم شد المادة إلى 28 ضعفًا لحجمها الأصلي. ويشير الباحثون إلى أن النموذج الأولي للجلد الإلكتروني المبتكر يمكن أن يستشعر الأشياء من على بعد ثماني بوصات ويستجيب للمنبهات في أقل من عُشر من الثانية.
في الوقت نفسه، يتميز الجلد الإلكتروني الجديد بأنه حساس للغاية لدرجة أنه يستطيع التمييز بين الكتابة اليدوية المكتوبة على سطحه ويتحمل 5000 علامة تشويه، ثم يتعافى في غضون ربع ثانية تقريبًا.
وقال الدكتور شين: "إنه إنجاز مذهل أن تحافظ البشرة الإلكترونية على المتانة بعد الاستخدام المتكرر، وهو ما يحاكي مرونة الجلد البشري وتعافيه مجددًا بسرعة". ويمكن للاختراع الجديد أن يساعد في صنع أطراف صناعية قادرة أيضًا على مراقبة المعلومات البيولوجية، من بينها التغيرات في ضغط الدم، والتي يمكن بث معلوماتها عبر واي فاي إلى السحابة لتخزينها للاطلاع عليها وقت الحاجة بواسطة الأطباء والمختصين. وقال الباحث المشارك في الدراسة فينسينت تونغ: "تكمن إحدى العقبات المتبقية أمام الاستخدام الواسع للجلود الإلكترونية في رفع مستوى أجهزة الاستشعار عالية الدقة، ولكن يعد التصنيع الإضافي بمساعدة الليزر وعدًا جديدًا".
وفي حين أن التطبيق الأول للجلد الإلكتروني يستهدف الاستخدامات الطبية إلا أن الفريق البحثي يأمل في أن تمتد استخدامات الجلد الإلكتروني لتشمل مجموعة واسعة من المنتجات، وفقًا لما ذكره الدكتور كاي، من بينها شريط الاستشعار لقياس السلامة الهيكلية للأثاث والطائرات والمباني.