مستشعر إجهاد من سائل موصل مطبوع إلكترهيدرو ديناميكيًا بأداء فائق

أسلاك مطاطة تشعر بكل حركة

تخيل شريطًا ناعمًا ومرنًا يمكنه إحساس أدق انحناء في إصبعك أو نبضة دقات قلبك الخفيفة، دون أن ينكسر أو يفقد التماسًا. يقدم هذا البحث طريقة جديدة لطباعة أسلاك من سائل موصل فائقة النحافة تعمل كأعصاب لأجهزة قابلة للارتداء المستقبلية، وملابس ذكية، وروبوتات لينة — تجمع بين موصلية المعادن ومرونة المطاط.

لماذا السائل المعدني مميز

معظم الأجهزة الإلكترونية مبنية من معادن صلبة ورقائق جامدة، وهي لا تتوافق جيدًا مع المرفق المنثني أو الجلد المطاطي. تقدم المعادن السائلة، التي تكون سائلة في درجة حرارة الغرفة ومع ذلك توصل الكهرباء تقريبًا بمثل كفاءة المعادن الصلبة، مخرجًا من هذا التعارض. فهي تستطيع التمدد والالتواء والتشوه مع المواد المرنة، مما يجعلها مكونات مثالية لمستشعرات قابلة للارتداء وواجهات إنسان-آلة من الجيل القادم. حتى الآن، كان من الصعب رسم خطوط سائلة معدنية فائقة الدقة دون تسريبات أو حواف خشنة أو قوالب معقدة، مما حد من كثافة تعبئة هذه الأجهزة وحساسيتها.

طباعة المعادن بالكهرباء

لمعالجة هذا التحدي، يستخدم الباحثون تقنية تسمى الطباعة الكهروهيدروديناميكية، التي تستغل حقلًا كهربائيًا لسحب نفاثة دقيقة من حبر سائل معدني خاص من إبرة رفيعة onto سطح بلاستيكي مرن. من خلال ضبط الجهد، وتدفق الحبر، وحركة السطح الأساسي، يمكنهم رسم أسلاك ميكروية مستمرة من السائل المعدني بعرض يتراوح بين 30 و300 ميكرومتر — أنحف من شعرة الإنسان — وعلى أطوال تصل إلى عدة أمتار، وكل ذلك بفوهة واحدة. وبما أن الأسلاك تُوضَع مباشرة حيثما تكون مطلوبة ثم تُحكم بين أفلام بلاستيكية مرنة، فإن خطر وجود فقاعات محبوسة أو تسربات، الشائع في طرق القنوات المجوفة، يقل كثيرًا.

خرز معدني مخفي يصحو عند الشد

يكمن سر هذا الحبر القابل للطباعة في بنيته المجهرية. بدلاً من تجمع سائل معدني أملس، يوزع الفريق قطرات دقيقة من سبيكة غاليوم–إنديوم داخل سائل داعم، مع بوليمر وجسيمات بلاستيكية تساعد على تثبيت التركيب. كل قطرة مغلفة بغشاء صلب رقيق من أكسيد المعدن، ما يمنع القطرات من الانصهار فورًا ويجعل السلك المطبوع حديثًا شبه موصل بالكهرباء في البداية. عند شد الشريط المرن الذي يحتوي هذه القطرات، تتشوه القطرات ويتشقق الغشاء الصلب. ثم ينساب السائل المعدني الداخلي ويرتبط بجيرانه، مكوّنًا مسارات معدنية متصلة عبر الشريط. تؤكد مجاهر الإلكترون والمحاكاة الحاسوبية وقياسات القوة الدقيقة هذا الانتقال من خرز معزول إلى خيوط معدنية لامعة ومتصلة.

من تمدد طفيف إلى استخدام يومي متين

بمجرد تنشيطها، تتصرف هذه الأسلاك الميكروية من السائل المعدني كمستشعرات إجهاد شديدة الحساسية. وبفضل نحافتها، فإن أي تغيير طفيف في الطول — بقدر 2 ميكرومتر فقط على امتداد 2.5 سنتيمتر، ما يعادل إجهادًا يبلغ 0.008% فقط — يولد تغيرًا قابلًا للقياس في المقاومة الكهربائية. ومع تمدد الشريط أكثر، حتى ثلاثة أضعاف طوله الأصلي، تضيق وتمتد المسارات المعدنية، وتتحول المقاومة بتدرج شبه خطي يتبع قواعد كهربائية أساسية. تُظهر الاختبارات أن الأسلاك تتحمل آلاف دورات الشد والإرخاء عند إجهادات كبيرة دون أن تنكسر أو تتسرب أو تنحرف في الأداء، وتبقى مستقرة لعدة أشهر. كما يمكن إذابة الدعم البلاستيكي اللين لاحقًا لاسترداد السائل المعدني وإعادة استخدامه، بما يتماشى مع أهداف إعادة التدوير وكفاءة الموارد.

أيادٍ تتكلم وبشرة تستمع

لإظهار قدرات هذه الأسلاك المطبوعة، بنى المؤلفون أجهزة بسيطة تحول الحركة إلى إشارات. في عرض واحد، تُثبت خمسة مستشعرات ضيقة على طول أصابع اليد. مع انثناء كل إصبع لتشكيل إشارات بأعداد مختلفة، تتغير مقاومة كل سلك بنمط مميز يمكن لبطاقة إلكترونية صغيرة قراءته وإرساله لاسلكيًا. يمكن لذراع روبوتي عندئذٍ أن يكرر أشكال يد الشخص، مما يشير إلى استخدامات مستقبلية في التحكم عن بُعد والتفاعل الافتراضي. في اختبار آخر، يلتقط مستشعر واحد مربوط برفق قرب المعصم توسعات دقيقة في الجلد ناتجة عن النبض. يكشف الإشارة الكهربائية المتغيرة بوضوح عن مراحل نبضة القلب المختلفة وتستجيب لنبضات أسرع وأقوى بعد التمرين، مما يبين أن المستشعر قادر على التقاط إجهادات ضعيفة وديناميكية على الجسم.

خطوة نحو إلكترونيات أذكى وأكثر ليونة

خلاصة القول، يقدم هذا العمل طريقة عملية لـ"رسم" أسلاك سائلة معدنية فائقة النحافة والطول بدقة عالية وتحويلها إلى مستشعرات تمدد شديدة الحساسية ومتينة وقابلة لإعادة التدوير. للقرّاء غير المتخصصين، الخلاصة هي أن الباحثين قرّبونا من إلكترونيات تتحرك وتشعر مثل بشرتنا وعضلاتنا — أجهزة قد تساعد يومًا ما في التحكم بالروبوتات بسهولة تحريك اليد، أو مراقبة الإشارات الصحية باستمرار دون أجهزة صلبة غير مريحة.

الاستشهاد: Chen, X., Feng, Y., Chen, K. et al. Electrohydrodynamic printed ultra-high performance liquid metal strain sensor. Microsyst Nanoeng 12, 145 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01237-w

الكلمات المفتاحية: سائل موصل, مستشعرات مرنة, إلكترونيات قابلة للارتداء, كشف الإجهاد, الروبوتات اللينة