عين مركبة حيوية صناعية بحجم حشرة

عيون وأنوف روبوتية في حزمة صغيرة واحدة

تخيل حشرة روبوتية لا ترى الطريق فحسب، بل «تشتم» أيضاً الغازات الخطرة في الهواء — كل ذلك باستخدام جهاز لا يكبر عين ذبابة حقيقية. يصف هذا البحث مثل هذا الاختراع: عين مركبة صناعية مصغرة تجمع بين الرؤية والشم في مستشعر واحد فائق الخفة. من خلال استعارة حيل من ذباب الفاكهة وحشرات أخرى، يبيّن الباحثون كيف يمكن للمسيرات الدقيقة والروبوتات الصغيرة في المستقبل أن تتنقّل سريعاً وبأمان عبر بيئات مزدحمة وخطرة مع استهلاك طاقة ضئيل جداً.

ما علّم الطبيعة المهندسين

تعتمد الحشرات مثل ذباب الفاكهة على العيون المركبة — قباب مليئة بمئات العدسات الصغيرة — لرصد الحركة عبر مجال رؤية واسع، مما يساعدها على تفادي المفترسين والعقبات. في الوقت نفسه، توفر قرون الاستشعار لديها حاسة شم حادة تُمكنها من اكتشاف الطعام أو الشركاء أو التهديدات في الهواء. تُدمَج كلا سيلَي المعلومات في دماغ الحشرة لتوجيه قرارات سريعة. سعى المؤلفون لإعادة خلق هذا الحواس المزدوجة في الأجهزة: جهاز واحد بحجم حشرة يحاكي عين الذبابة للكشف عن الحركة بزاوية واسعة ويُدمج «أنفاً» كيميائياً لقراءة الهواء المحيط، ثم يدمج الإشارتين لسلوك أذكى.

بناء عين منحنية صغيرة تعمل فعلاً

بنى الفريق عيناً صناعية أسطوانية بحجم رأس حشرة صغيرة، حشوا فيها 1027 عدسة صغيرة في مربع يبلغ عرضه 1.5 مليمتر فقط. باستخدام تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد فائقة الدقة، طبعوا مباشرة مصفوفة عدسات ميكروية منحنية على طبقة مرنة من كاشفات الضوء العضوية. كل عدسة تصطف مع كاشف واحد، مكونة «بكسلاً» فردياً ينظر في اتجاهه الخاص، تماماً مثل الأومتيديوم في عين الحشرة. صُممت العدسات بزوايا استقبال ضيقة حتى لا يتسرب الضوء من اتجاه واحد إلى البكسلات المجاورة، مقلدة العزل البصري الطبيعي في العيون المركبة الحقيقية. وللتعامل مع الضباب والرطوبة، أضاف الباحثون هياكل شبيهة بالشعيرات الميكروسكوبية بين العدسات تساعد على منع تكاثف القطرات على السطح، على غرار الشعيرات ذاتية التنظيف حول عيون الحشرات الحقيقية.

رصد الحركة واستشعار الهواء في الزمن الحقيقي

تحت العدسات تكمن طبقة حساسة للضوء مصممة خصيصاً من مزيج من أشباه الموصلات العضوية ونقاط كمية من كبريتيد الرصاص. يتيح هذا المزيج للجهاز كشف الضوء من فوق البنفسجي مروراً بالمرئي وحتى القريب من تحت الحمراء مع استجابة تقارب جزءاً من عشرة آلاف من الثانية — سرعة كافية لمعدل اندماج وميض يقارب 1000 صورة في الثانية. بدلاً من تكوين صور حادة ومفصلة، يسجل الجهاز بقعاً مضيئة متغيرة عبر مجال رؤيته الواسع، وهو ما يحوّله نموذج رياضي بسيط إلى معلومات عن موقع الأجسام، وبعدها المحتمل، وكيفية حركتها. على نحو موازٍ، تعمل مصفوفة لونية مطبوعة بنظام نفث الحبر كأنف صناعي: بقع صغيرة تحتوي مركبات معدنية وصبغات حسّاسة للـ pH تتغير ألوانها عند تعرضها لغازات خطرة محددة. ثم يحول خوارزم تجزئة مستوحى من الذباب تغيّرات اللون هذه إلى هوية الغاز وتركيز تقريبي، بدقة تقارب 93% عبر عشرة أبخرة سامة شائعة.

من منضدة المختبر إلى روبوتات ودّوارة

لإثبات أن هذا «العين-والأنف» بحجم الحشرة مفيد خارج المختبر، ركّبه الباحثون على منصتين غير مأهولتين صغيرتين. على روبوت عجلات متعدد الاتجاهات، سمحت العين المنحنية للنظام بمراقبة مجال أفقي بعرض 180 درجة وكشف الحركة بسرعة كافية لتفادي العقبات القادمة، حتى في ظروف الضباب. قواعد بسيطة مُنفذة في الأجهزة — مستوحاة مرة أخرى من سلوك الهروب لدى الحشرات — جعلت الروبوت يتراجع عن الأجسام المتقدمة أو يحيّد مساره حولها أثناء تجواله. على طائرة صغيرة، تتبعت نفس الوحدة مواضع أضواء متحركة في ثلاثة أبعاد وبالاشتراك مع مستشعر الغازات وجهت الاستكشاف الذاتي عبر بيئة اختبار تحتوي مصادر ضوء وعمامات من المواد الكيميائية الخطرة. تم دمج معلومات الرؤية والشم بحيث يمكن للطائرة متابعة الأهداف ورسم خريطة للغازات الخطرة في الفضاء.

لماذا هذا مهم للآلات الصغيرة في المستقبل

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن دمج رؤية واسعة الزاوية وسريعة الاستجابة واستشعار كيميائي في مستشعر بحجم عين حشرة حقيقية تقريباً. يضحي الجهاز بتفاصيل الصورة الدقيقة لصالح حساسية الحركة، وتغطية طيفية واسعة، وكفاءة في استهلاك الطاقة — وهي التنازلات المناسبة للروبوتات والمسيرات الصغيرة ذات الموارد الحاسوبية والطاقة المحدودة. من خلال توحيد «العين» و«الأنف» في نظام واحد مدمج واستلهام استراتيجيات الدمج من أدمغة الحشرات، يشير البحث إلى أسراب مستقبلية من آلات صغيرة ذاتية الحكم ومنخفضة التكلفة قادرة على تفادي العقبات، والتعرّف على الغازات الخطرة، واستكشاف بيئات معقّدة بخفة الحشرات الطائرة.

الاستشهاد: Wang, J., Wei, S., Qin, N. et al. An insect-scale artificial visual-olfactory bionic compound eye. Nat Commun 17, 2259 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68940-0

الكلمات المفتاحية: عين مركبة حيوية, روبوتات مستلهمة من الطبيعة, استشعار متعدد الوسائط, أنظمة رؤية دقيقة, كشف الغازات الخطرة