تصنيع مستمر لألياف مطاطية سائلة جانوسية ذات تحرك قابل للبرمجة

خيوط ذكية تتحرك كعضلات

تخيل ملابس تنكمش لتبقيك دافئًا، أو خيوطًا رفيعة كالشعر تلتف للقبض على الأشياء وتحريكها مثل عضلات روبوتية صغيرة. تقدم هذه الدراسة نوعًا جديدًا من الألياف يمكنه الالتواء، والتكوّن إلى لفائف، والزحف، وحتى توجيه روبوتات صغيرة—كل ذلك مع قوة كافية لتُنسَج في أقمشة يومية.

التعلم من النباتات المتسلقة

تلتف وتتشكل سيقان النباتات المتسلقة مثل الزوائد لأن المادة داخل سيقانها ليست متماثلة على كل جهة. جهة واحدة تصلب أكثر من الأخرى، مما يخلق اختلالًا مضمّنًا يدفع الساق للانحناء والالتفاف. اقتبس الباحثون هذه الفكرة لتصميم ألياف «جانوس»—المُسماة باسم إله الرومان ذا الوجهين—حيث يتصرف كل نصف من مقطعها العرضي بشكل مختلف. جهة واحدة عبارة عن مطاط سائل كريستالي، مادة مطاطية يختلف ترتيبها الداخلي مع الحرارة أو الضوء ويمكنها الانكماش مثل العضلة. الجهة الأخرى شبكة بولي يوريثان ديناميكية قوية وقابلة لإعادة التشكيل بدرجة ما، مما يوفر المتانة وطريقة لقفل الأشكال الجديدة.

كيف تُصنع الألياف الجديدة

لتحويل هذا المفهوم إلى شيء يمكن إنتاجه بالمتر، بنى الفريق نظام بثق مستمر. يُدفع مبدآن سائلان، واحد لكل جهة من الألياف، عبر فوهة خاصة تجمعهما إلى خيط ثنائي اللون واحد. وبمجرد خروج الخيط، يبدأ الضوء فوق البنفسجي بتقسية كلا الجزئين بسرعة متقاربة، بحيث يبقى الحد الداخلي بينهما نظيفًا ومستوٍ بدل أن يختلطا أو يتفتتا. ثم يمر الخيط عبر بكرات تسحبه وتعمل على محاذاة مقاطع الكريستال السائلة على طول الطول. جولة ثانية من التعرض للأشعة فوق البنفسجية «تثبت» هذه المحاذاة، ويسمح التسخين اللطيف لاحقًا للروابط الديناميكية في النصف الداعم بإعادة التنظيم وتقوية البنية الكلية.

عضلات صناعية قوية وقابلة للضبط

النتيجة هي ليف هجين نحيل يمكن ضبط خصائصه عن طريق تعديل سرعة البثق، ومقدار الشد، وتدفق كل مكون نسبيًا. تُظهر الاختبارات أن هذه الألياف ليست أقوى بكثير من ألياف الكريستال السائلة التقليدية فحسب، بل تستطيع أيضًا تحمل تشوهات كبيرة دون الانكسار. عندما تُسخّن فوق درجة حرارة معينة، ينكمش جانب الكريستال السائل بينما يقاوم الجانب الآخر، مما يجعل الليف ينحني ويلتف إلى نوابض ذات تغييرات طولية كبيرة وسريعة. ونظرًا لأن الشبكة الداعمة تحتوي على روابط قابلة لإعادة الترتيب عند درجات حرارة أعلى، يمكن ‘‘إعادة برمجة’’ نفس قطعة الليف إلى أشكال لولبية مختلفة—لفات أرخ أو أشد إحكامًا، أو قطاعات مستقيمة بجانب ملتفة—ببساطة عن طريق الشد والتسخين والتبريد تحت ظروف محكومة.

روبوتات صغيرة وأقمشة متغيرة الشكل

بفضل هذه السلوكيات القابلة للبرمجة، يعرض المؤلفون عدة أجهزة مصغرة. يمكن لليف واحد أن يلتف حول أسلاك ساخنة ويرفعها وهي أثقل منه بألاف المرات. عند طلاء حزم الألياف بجسيمات ماصة للضوء، تعمل كأرجل لروبوت صغير يمشي على الماء يمكنه التحرك إلى الأمام أو الدوران اعتمادًا على أي جهة تُضاء بأشعة تحت الحمراء. تُشكَّل ألياف أخرى إلى نوابض ذات تدرج تتحرك خطوة بخطوة على طول أنابيب ضيقة عند التناوب بين الظروف الحارة والباردة، مقلدة زحف دودة السلك. وأخيرًا تُنسَج الألياف في قماش باستخدام تقنيات النسيج القياسية. عند شد النسيج، تلتف الألياف المدمجة وتُغبش النسج، محبوسة المزيد من الهواء وتحسّن العزل؛ ويعيد التسخين الطفيف القماش إلى حالته الأصلية المسطحة، مما يقلل الدفء عند الطلب.

لماذا هذا مهم

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن الباحثين وجدوا طريقة لتصنيع ألياف رفيعة جدًا ذات وجهين بشكل مستمر تجمع بين القوة والذكاء. يوفر جانب واحد حركة شبيهة بالعضلة، بينما يقدم الجانب الآخر المتانة والقدرة على ‘‘تذكر’’ أشكال جديدة. ونظرًا لأن هذه الألياف يمكن إنتاجها بطول كبير وتتحمل التعامل العادي، فيمكن أن تكون لبنات بناء للروبوتات اللينة، والمنسوجات المتحركة، والأجهزة التكيفية التي تستجيب للحرارة أو الضوء. جوهريًا، يقربنا هذا العمل من مواد يومية تعيد تشكيل نفسها بهدوء لتقبض أو تمشي أو تضبط راحتنا—كل ذلك مدفوعًا بالذكاء الخفي في أليافها.

الاستشهاد: Xu, J., Wan, H., Fang, Z. et al. Continuous fabrication of Janus liquid crystal elastomer fibers with programmable actuation. Nat Commun 17, 2254 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68992-2

الكلمات المفتاحية: الروبوتات اللينة, المنسوجات الذكية, ألياف العضلات الصناعية, مطاطيات سائلة كريستالية, مواد قابلة للبرمجة