مجسات قوى ميكروفلويدية لينة متعددة القنوات: التصميم والخصائص والتطبيق في تنظير البطن

لماذا يهم الإحساس عبر الأدوات الجراحية

عندما يجري الجراح عملية عبر شقوق صغيرة تشبه الثقوب المفتاحية، تنفصل يداهم عن أنسجة المريض بواسطة أدوات طويلة وصلبة. يفقد الكثير من الإحساس الطبيعي بـ "اللمس"، ما يجعل تقدير مقدار القبضة أو الضغط على أعضاء رقيقة أصعب. تقدم هذه الورقة فئة جديدة من المجسات الناعمة المملوءة بالسائل، والتي يمكن بناؤها مباشرة على أدوات التنظير، بهدف إعادة إحساس لمسي موثوق للجراحين — دون إضافة أجهزة ضخمة أو إلكترونيات معقدة.

مجسات لينة تتصرف مثل جلد اصطناعي

المجسات مصنوعة من سيليكون مطاطي (PDMS) يحتجز قنوات رفيعة كالشعر مملوءة بسبيكة معدنية سائلة. عند ضغط المجس، يتشوه السيليكون اللين ويضغط القنوات، مما يقلل من مقطعها العرضي. وبما أن مسار المعدن يصبح أضيق وأطول، يزداد مقاومته الكهربائية بطريقة قابلة للتنبؤ. بقياس هذا التغير، يحول الجهاز القوة الفيزيائية إلى إشارة كهربائية. يبيّن المؤلفون أن هذه المجسات قادرة على الانحناء والتمدد والالتواء أثناء عملها، ما يجعلها مناسبة للأسطح المعقدة والمتحركة مثل الأدوات الجراحية والروبوتات اللينة أو الأجهزة القابلة للارتداء.

خيارات التصميم التي تضبط الحساسية

للانتقال من العروض البسيطة إلى تطبيق عملي، استكشف الفريق بشكل منهجي كيف تؤثر تفاصيل التصميم على الأداء. باستخدام محاكاة حاسوبية واختبارات مخبرية على الطاولة، نوّعوا في صلابة السيليكون، وسماكة المجس الكلية، وعمق القناة تحت السطح، وشكل وحجم القناة. جعل السيليكون الأطرش، والأجهزة الأرفع، والقنوات الأخف عمقًا المجس أكثر استجابة لأنها سمحت بمزيد من التشوه لنفس الحمل المطبق. كما أن القنوات الأضيق ضاعفت التأثير بتركيز الانفعال في مسار سائل أصغر. من بين عدة أشكال مقطع عرضي، أعطت قناة «مثلث متدرج مقلوب» — عريضة في الأعلى وأضيق بدرجات أدنى — أعلى حساسية، لأن هندستها تركز الضغط على مناطق تغير المقاومة الكهربائية بأقوى شكل.

قنوات متعددة من أجل نطاق لمسي أوسع

بناءً على هذه الفهم، أنشأ الباحثون مجسات تحتوي على أكثر من قناة داخلية لتغطية اللمس الخفيف والقوي داخل نفس الجهاز المدمج. في نسخة واحدة، توجد قناتان حلزونيتان على أعماق مختلفة: القناة الضحلة تستجيب بقوة للقوى الصغيرة، بينما تبقى القناة الأعمق خطية عند أحمال أعلى. في تصاميم بطبقة واحدة، تضع تخطيطات «شبيهة بالزهرة» و«شبيهة بمقاييس الإجهاد» قناتين جنبًا إلى جنب بعرضين أو مقاطع عرضية مختلفة. إحدى القنوات أفل وأكثر قابلية للتشوه، ما يمنح حساسية عالية عند التلامس الرقيق، بينما تحافظ القناة الأخرى على الدقة عندما تزداد القوى.

إعادة الإحساس باللمس إلى أدوات تنظير البطن

لإظهار الاستخدام العملي، ركب الفريق مجسين لينين على ممسك تنظيري قياسي. قام مجس بنمط أسنان على فك واحد بقياس القوة المطبقة مباشرة على عينات سيليكون شبيهة بالأنسجة، بينما التقط مجس حلزوني على حلقة الإبهام بالمقبض مدى قوة ضغط الجراح لإغلاق الفكين. وبما أن المجسات مصنوعة من نفس نوع السيليكون اللين المستخدم في العديد من نماذج الأنسجة، فتلامس الأسطح بلطف أكبر من المعدن العاري وتتماشى جيدًا مع الانحناءات. أظهرت الاختبارات إشارات متكررة أثناء دورات الإمساك والإفلات المتكررة وأكدت أن الفكين اللينين يولدان إجهادًا أقل بكثير على نسيج النموذج مقارنة بممسك معدني صلب. معًا، يمكن للمجسين تقديم رؤية غنية لكل من فعل اليد وتفاعل الأداة مع النسيج في الزمن الحقيقي.

ما يعنيه هذا لمستقبل اللمس الجراحي

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أنه يمكن إدماج «أعصاب» ميكروفلويدية صغيرة مملوءة بالسائل داخل الأدوات الجراحية لاستشعار قوة الضغط. وبما أن الأجهزة لينة وغير مكلفة وتُصنع باستخدام طرق طباعة ثلاثية الأبعاد وقوالب شائعة، فيمكن تفصيلها لأدوات ونطاقات قوى مختلفة وحتى للاستخدام القابل للتصرف. يستنتج المؤلفون أن هذه المجسات الميكروفلويدية متعددة القنوات تشكل مسارًا واقعيًا نحو أجهزة أذكى تستعيد الاستجابة اللمسية في الجراحة طفيفة التوغل ويمكن تكييفها أيضًا للروبوتات اللينة وواجهات الإنسان–الآلة حيث يكون اللمس الآمن واللطيف أمرًا أساسيًا.

الاستشهاد: Othman, W., Qasaimeh, M.A. Multichannel soft microfluidic force sensors: design, characterization, and application in laparoscopy. Microsyst Nanoeng 12, 138 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01263-8

الكلمات المفتاحية: مستشعر ميكروفلويدي لَيِّن, ممسك تنظيري, قناة معدنية سائلة, استرجاع الحس اللمسي, جراحة طفيفة التوغل