نظام استشعار لاسلكي مرن عالي الحساسية معزز بتآزر الأيون–الإلكترون ونطاق إجهاد واسع

ضمادات ذكية تشعر بكل حركة

تخيّل رقعة رقيقة ومرنة على حلقك يمكنها «سماع» ما تقوله دون ميكروفون، أو شريط ناعم على سمكة روبوتية يستشعر كيف تسبح عبر المحيط. يقدم هذا البحث نوعًا جديدًا من المستشعرات المطاطية واللاسلكية القادرة على استشعار الحركات الدقيقة بالإضافة إلى الامتدادات الكبيرة، مع عمل موثوق على جسم الإنسان وفي الروبوتات المائية. يشير العمل إلى مستقبل من الأجهزة القابلة للارتداء والآلات المستوحاة من الكائنات الحية التي تراقب الصحة والحركة والبيئة بحساسية تشبه حس الجلد الحي.

لماذا استشعار الامتداد صعب للغاية

تعتمد العديد من الأجهزة الحديثة بالفعل على مستشعرات الإجهاد المرنة لتتبع الانحناء والشد في المفاصل أو الروبوتات اللينة أو الأجهزة القابلة للارتداء. لكن هناك تضاربًا صعبًا: فالمستشعرات التي تتحمل امتدادات كبيرة عادةً تفقد حساسيتها، بينما تلك الحساسة جدًا تميل إلى الانكسار أو إعطاء قراءات غير موثوقة عند إجهادات كبيرة. تعتمد التصاميم التقليدية في الغالب على موصلات إلكترونية—مواد تحمل التيار بواسطة الإلكترونات—مشكّلة في أفلام رقيقة تتطور فيها شقوق صغيرة أثناء الشد. يمكن لتلك الشقوق أن تزيد الحساسية، لكن عندما يُشد الفيلم كثيرًا تنقطع مسارات الإلكترونات ببساطة، ويتوقف الجهاز عن إعطاء معلومات مفيدة.

مستشعر ذو مسارين: أيونات بالإضافة إلى إلكترونات

لكسر هذا القيد، بنى الباحثون مادة هجينة تجمع بين نوعين من حاملي الشحنة. داخل مستشعرهم، المسمى نظام الاستشعار المعزز بتآزر الأيون–الإلكترون (IESS)، يحتفظ طبقة مطاطية مسامية بكل من أنابيب الكربون النانوية التي توصل الإلكترونات، وسائل أيوني حيث تنقل الجزيئات المشحونة التيار. أعلى ذلك توجد طبقة رقيقة جدًا من الذهب تتشكل فيها شقوق دقيقة متحكم بها عند الشد. عند سحب الجهاز، تتطور وتتسع الشقوق في طبقة الذهب وشبكة الأنابيب النانوية ما يقطع بعض مسارات الإلكترونات. في الوقت نفسه، يعيد السائل الأيوني ترتيب نفسه إلى قنوات جديدة يمكنها جسر الفجوات بين المناطق الممزقة. وبما أن الإلكترونات والأيونات تستجيبان بشكل مختلف للشد، فإن تأثيرهما المشترك ينتج تغييرًا أكبر وأكثر قابلية للضبط في المقاومة الكهربائية مما يحققه أي منهما بمفرده.

الانكسار والجسر على النطاق المجهري

قام الفريق بضبط البنية بعناية بحيث يعمل سلوك الانكسار–والجسر هذا لصالحهم. من خلال تعديل سمك طبقة الذهب وكمية الأنابيب النانوية، وجدوا تكوينًا يبقي المستشعر مستجيبًا من حالة عدم الشد تقريبًا وحتى استطالة بنسبة 100 بالمئة—أي مضاعفة طوله. تُظهر الميكروسكوبي صورًا لداخل يشبه الإسفنجة يمكنه التشكل بسهولة، في حين تكشف صور السطح عن شبكة شقوق تتطور من خطوط صغيرة متناثرة عند إجهاد منخفض إلى فجوات واسعة ومفتوحة عند إجهاد عالٍ. تؤكد الاختبارات الكهربائية أن السائل الأيوني يقلل بشكل كبير الحواجز أمام تحرك الشحنة عبر شبكة الأنابيب النانوية وعبر الشقوق، مما يؤدي إلى تغير هائل في المقاومة عند انحناء أو شد الجهاز. يمكن للمستشعر رصد إجهادات صغيرة تصل إلى 0.08 بالمئة، ويستجيب في أقل من عُشر الثانية، ويصمد لآلاف دورات الشد مع انحراف طفيف فقط.

من حناجر بشرية إلى أسماك روبوتية

حوّل المؤلفون بعد ذلك هذه المادة إلى نظام لاسلكي كامل مزوّد بوحدة تحكم دقيقة صغيرة، وإلكترونيات عالية الدقة، وبطارية، واتصال بلوتوث، كل ذلك مبني في وحدة مدمجة. عند ارتدائها على الرقبة، تسجل الرقعة حركات الحلق الطفيفة أثناء الكلام. باستخدام خوارزميات التعلم الآلي، يستطيع النظام تمييز تسعة أصوات كلامية بسيطة بدقة تزيد عن 90 بالمئة. وعند وضعها على المعصمين والأصابع والركب والمفاصل الأخرى، تتتبع الحركات اليومية وتردداتها في الوقت الفعلي. عندما تُغلف للاستعمال تحت الماء وتُثبت على سمكة روبوتية، يفصل المستشعر بوضوح أنماط الغوص والصعود والسباحة الأمامية. تلقي رقع مماثلة على عوامة وروبوت ذو أجنحة رفرفة قياسات إجهاد ناتجة عن الأمواج وترددات الرفرفة، مما يوضح أن الجهاز نفسه قادر على مراقبة صحة الإنسان والحركات المعقدة في الماء والهواء.

ماذا يعني هذا لتكنولوجيا الحياة اليومية

من خلال السماح للأيونات والإلكترونات بالعمل معًا داخل بنية لينة مهندسة بعناية، يبيّن هذا البحث أنه من الممكن بناء مستشعرات إجهاد شديدة الحساسية ومرنة للغاية، دون الاعتماد على أسلاك ضخمة. يمكن للنظام المتكامل أن يشعر بكل شيء بدءًا من اهتزازات الحلق الدقيقة إلى انحناءات المفاصل الكبيرة، وينقل البيانات لاسلكيًا، ويعمل حتى في بيئات قاسية مثل المحيط. بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن الرقع القابلة للارتداء المستقبلية والروبوتات اللينة والبنى التحتية الذكية قد تكتسب إحساسًا باللمس أقرب إلى الجلد الحي، مما يمكّن واجهات كلامية أكثر طبيعية، ورصد صحة أفضل، وأنظمة بحرية أكثر أمانًا، وآلات مستوحاة من الطبيعة أكثر استجابة.

الاستشهاد: Chai, J., Wu, G., Huang, Z. et al. Ion–electron synergy-enhanced flexible highly sensitive wireless sensing system with wide strain range. Microsyst Nanoeng 12, 149 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01261-w

الكلمات المفتاحية: مستشعرات الإجهاد المرنة, مراقبة الصحة القابلة للارتداء, الروبوتات اللينة, الاستشعار تحت الماء, الاستشعار الحيوي اللاسلكي