الاقتران بين التحول الشكلي القابل للبرمجة ودفع بواسطة المذيبات في مركب ناعم ثنائي الاستمرارية

مواد لينة تتحرك وتتغير شكلها بمفردها

تخيل شريطًا طافيًا من مادة مطاطية يمكنه الالتفاف والاسترخاء مثل مخاريط الصنوبر في يوم ممطر، ثم الانزلاق عبر بركة كما تفعل بعض الخنافس، مدفوعًا فقط بقطرة من الوقود السائل. تُقدّم هذه الدراسة مادة ذكية ناعمة من هذا النوع. يمكنها إعادة تشكيل نفسها والدفع عبر الماء دون أسلاك أو محركات أو إلكترونيات، ما يلمّح إلى روبوتات لينة وطلاءات وأدوات كيميائية صغيرة مستقبلية تتفاعل بذكاء مع محيطها.

التعلّم من مخاريط الصنوبر وخنافس المشي على الماء

في الطبيعة، تستخدم الأنظمة الحية غالبًا نوعين مختلفين من الحركة. فبعضها، مثل مخاريط الصنوبر أو الأوراق الحسّاسة، يغيّر شكله في مكانه عندما تتغير الرطوبة أو اللمس أو الحرارة. والبعض الآخر، مثل بعض الخنافس والبكتيريا، يتحرك فعليًا من موضع إلى آخر، أحيانًا عن طريق إطلاق جزيئات فعالة سطحياً تسحبها على سطح الماء. أعاد المهندسون إنشاء جوانب من كل سلوك باستخدام مواد صناعية، لكن نادرًا ما يجمعون بينهما في منصة واحدة. تميل مطاطيات الكريستال السائبة التقليدية إلى الانثناء والانكماش بالحرارة أو الضوء لكن لا تتفاعل جيدًا مع الماء ولا تولد دفعًا. أما الهلاميات المائية فتميل إلى حب الماء وتنتفخ بقوة، لكنها عادةً ما تتمدد في جميع الاتجاهات وتفتقر إلى الاتجاهية المدمجة اللازمة لتوجيه الحركة أو توليد قوى صافية.

بناء مركب ناعم ذو شبكتين متداخلتين

لجسر هذه الفجوة، صمم الباحثون مادة هجينة تسمى BALCEH، اختصارًا لمركب مطاط كريستال سائل–هلام مائي ثنائي الاستمرارية. في جوهرها، تمزج BALCEH بين شبكتين مستمرتين لكن متداخلتين: هلام مائي محب للماء ومطاط كريستال سائل باعث للماء. يشكل الهلام المائي هيكلًا مساميًا يمكنه امتصاص سوائل مختلفة، بينما يُشدّ المطاط بعناية ويُقفل في اتجاه واحد مفضل بحيث تصطف وحداته الداخلية. تسمح هذه البنية المزدوجة بكل من الانتفاخ القوي والمرونة الاتجاهية في قطعة واحدة من المادة. تؤكد القياسات المجهرية وأشعة تحت الحمراء وتشتت رامان وانتثار الأشعة السينية أن الشبكتين متداخلتان تمامًا، وأن مقاطع الكريستال السائل مصطفة جيدًا، وأن المركب متين ومرن ميكانيكيًا بينما يظل أقوى بوضوح على طول اتجاه الاصطفاف.

أسطح قابلة للتبديل وتغيّرات شكلية قابلة للعكس

تمنح الشبكتان المتداخلتان BALCEH سلوكًا بيئيًا أشبه بالتمويه. لأن الهلام المائي يفضّل الماء بينما المطاط يفضّل الزيت، يمكن أن يتبدّل الوجه الذي تعرضه المادة للعالم الخارجي اعتمادًا على السائل المحيط. تحت الماء، يهيمن الهلام المائي ويجعل السطح يصد قطرات الزيت بشدة؛ وتحت الزيت، يسيطر المطاط ويدفع الماء بعيدًا. قد تكون هذه القدرة التكيفية على التبلل، مع طرد شديد إما للزيت أو للماء في الظروف المناسبة، مفيدة لمرشحات ذكية وطلاءات مضادة للتلوث. في الوقت نفسه، تشدّ الشبكتان بعضهما البعض داخليًا. عندما يمتص BALCEH الماء أو مذيبات قطبية أخرى، يحاول الهلام المائي الانتفاخ، لا سيما عرضيًا عبر اتجاه المطاط المصطف، بينما يقاوم المطاط ويخزن طاقة مرنة. النتيجة هي انثناء أو استرخاء محكومان يتكرر عبر العديد من الدورات: يمكن للشرائط أن تنفك في السائل وتلتف مجددًا أثناء الجفاف، أو تدور مع تغير الرطوبة، أو تقصر وتطول مع تغيّر الحرارة، وكل ذلك دون فقدان الأشكال المبرمجة مسبقًا.

انزلاق مدفوع بالمذيب ومسارات قابلة للبرمجة

بعيدًا عن الانحناء في مكانه، يمكن أن يعمل BALCEH أيضًا كمحرّك صغير بذاته. عندما يتشبع بمذيب منخفض التوتر السطحي مثل الإيثانول ويوضع عند واجهة الهواء–الماء، يطفو شريط BALCEH ويتسرب المذيب ببطء إلى الماء المحيط. بسبب البنية الداخلية غير المتناظرة، يكون هذا التحرّر غير متساوٍ، محدثًا تباينًا في التوتر السطحي يسحب الشريط - وهو تأثير يعرف بدفع مارانغوني. على عكس الهلاميات البسيطة التي تغوص سريعًا عند امتصاص الماء، يحافظ المكون الكاره للماء في المركب على طفوته، مما يسمح بحركة تستمر لعشرات الدقائق. بتغيير نوع "وقود" المذيب، وتقلبه، وقابليته للاختلاط مع الماء، يضبط الفريق مدة وقوة حركة الشريط. يؤدي إرفاق قطعة أو أكثر من BALCEH بأشكال مطبوعة ثلاثية الأبعاد بسيطة إلى تحويلها إلى سباحين لِّنِين يمكن برمجة مساراتهم—دائرية أو مستقيمة أو دورانية أو متفرعة لولبيًا للخارج—بواسطة الهندسة، وخيار الوقود، وحتى إضافات متوقّتة من سوائل أخرى إلى الحوض.

من الروبوتات الطافية إلى الفصل الذكي والكيمياء

تتيح المبادئ الأساسية نفسها وظائف أخرى. يوضّح المؤلفون أن الأقمشة المطلية بـ BALCEH يمكن أن تفصل الزيت عن الماء تحت تأثير الجاذبية وحدها، لأن كل جانب من المركب يسمح بمرور سائل ويمنع الآخر على نحو انتقائي. في مثال آخر، ينقل مُشغّل شبيه بالنجمة من BALCEH خرزة متفاعلة صلبة عبر إعداد متعدد الطبقات من الزيت والماء ويطلقها فقط عندما وأين يؤدي الماء إلى فتح المادة، ما يشغّل التفاعل الكيميائي مبرمَجًا بآلية مدمجة. تُبرز هذه العروض كيف أن الجمع بين شبكة مرنة اتجاهية وشبكة قابلة للانتفاخ ومستجيبة يمكّن مادة لينة واحدة من استشعار بيئتها وتحويل تلك المعلومات إلى أفعال معقدة.

لماذا يهم هذا للآلات اللينة المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصصين، النتيجة الأساسية هي أن هذا العمل يدمج نوعين من الحركة—تغيير الشكل والدفع الذاتي—في مادة واحدة قوية وقابلة لإعادة الاستخدام. ينحني BALCEH ويلتف عند ملاقاته الماء أو الرطوبة أو الحرارة أو بعض المذيبات، ويمكنه أيضًا الانزلاق عبر أسطح الماء مدفوعًا بكميات صغيرة فقط من السوائل العضوية. وبما أن استجابته تعتمد على السائل المحيط وعلى اصطفافه المبرمج مسبقًا، يمكن برمجته ليتبع مسارات محددة، ويحمل أعباء، ويشغّل تفاعلات، أو يفصل مخاليط دون إلكترونيات أو أجزاء صلبة. يشير اقتران التشوه والحركة في شريط واحد خفيف الوزن إلى إمكانية تطوير أجهزة روبوتية لينة وطلاءات تعمل ذاتيًّا في بيئات رطبة حقيقية.

الاستشهاد: Giri, P., Borbora, A., Sarkar, D. et al. Coupling programmable shape morphing and solvent-fueled propulsion in a soft bicontinuous composite. Nat Commun 17, 3638 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69432-x

الكلمات المفتاحية: الروبوتات اللينة, المواد الذكية, مركبات الهلام المائي, الدفع الذاتي, التبلل التكيفي