جلد إلكتروني هلامي يعمل ذاتيًّا مع استشعار متعدد الوضعيات مفصول للتفاعلات المغلقة بين الإنسان والآلة

جلد ثانٍ ذكي للحياة اليومية

تخيل عصابة معصم لينة ومرنة تشعر كأنها طبقة من الجلد ومع ذلك تتعقب بهدوء حرارتك ونبضك وعرقك بينما تتيح لك أيضًا التحكم في روبوت والشعور بما يلمسه. تُقدم هذه الورقة البحثية مثل هذا «الجلد الإلكتروني» المصنوع من هلام غني بالماء. إنه يزود نفسه بالطاقة من حرارة وحركة الجسم، يستقبل عدة إشارات جسدية في آن واحد، ويستخدم الذكاء الاصطناعي لمنع اختلاط تلك الإشارات، مما يفتح آفاقًا لروابط أكثر طبيعية بين البشر والآلات.

تحويل الهلام اللين إلى جلد حساس

في قلب النظام قطعة واحدة من هلام بوليفينيل الكحول، مادة هلامية تزيد نسبة الماء فيها عن 80% وتتمتع بليونة قريبة من الجلد الحقيقي. استخدم الباحثون عملية تبادل مذيبات مكوّنة من ثلاث خطوات بعناية لمنح هذا الهلام مزيجًا غير عادي من القوة والمرونة. أولاً، شكّلوا هلامًا أساسيًا بتجميد وإذابة محلول البوليمر. ثم استبدلوا السائل الأصلي بالجليسرول ليتقارب سلاسل البوليمر ويزداد صلابة المادة. أخيرًا، استبدلوا الجلسة بمحلول مائي مالح يحتوي على أيونات الحديد، مما قلّص الشبكة بما يكفي لخفض الصلابة إلى نطاق الأنسجة البشرية مع الحفاظ على متانة وقابلية شد الهلام. أكدت المجاهر والاختبارات الحرارية وقياسات الأشعة السينية أن الهلام احتفظ بالعديد من المناطق الشبيهة بالبلورات الصغيرة لقوته بينما بقيت بنيته العامة لينة ومرنة.

مادة واحدة، ثلاثة أنواع من اللمس

لكي يتصرف الهلام مثل الجلد، يجب أن يستشعر أنواعًا مختلفة من المحفزات دون حزم ضخمة من المستشعرات المنفصلة. صمم الفريق المادة وشكلها بحيث تحدث ثلاث تأثيرات أيونية مميزة في نفس قطعة الهلام دون أن تتداخل مع بعضها. فرق الحرارة بين الجسم والهواء يولد تيارًا صغيرًا لكن ثابتًا عبر تفاعلات عكسية لأيونات الحديد، محولًا الحرارة إلى كهرباء. عندما يُضغط الهلام أو يُشد، تتحرك الأيونات الموجبة والسالبة بسرعات مختلفة، مما يخل مؤقتًا بتوازن الشحنة ويُنتج تيارًا مدفوعًا بالضغط. في الوقت نفسه، يهاجر الملح من العرق إلى داخل الهلام عبر قنوات معالجة لجذب الماء، وتؤدي فروق تركيز الملح إلى تولّد تيار قابل للقياس. وبما أن هذه العمليات تستجيب على مقاييس زمنية واتجاهية مختلفة، يمكن أن تتعايش إشارات الحرارة والضغط والملح ويظل بالإمكان فصلها.

تشكيل الهلام لإشارات أقوى

اكتشف الباحثون أن نحت الهلام على شكل غابة من المنشورات الصغيرة يعزز حساسيته بشكل كبير، خاصةً تجاه الضغط. في هذا التصميم، تُركّز الأطراف الضيقة الإجهاد الميكانيكي عند نقاط تلامس الهلام مع الجلد، مُمَيِزةً الأيونات على طول اتجاه القوة المطبقة ومضخّمةً التيار بأكثر من مئة مرة مقارنةً بكتلة بسيطة. نفس البنية لا تزال توصل الحرارة وتسمح بانتشار الأيونات، لذا تعمل أوضاع الاستشعار الثلاثة معًا. أظهرت الاختبارات أن الجلد الإلكتروني يمكن أن يمتد لأكثر من ثمانية أضعاف طوله الأصلي، يكتشف ضغوطًا خفيفة جدًا، ويحلّ أشكال موجات النبض من المعصم بتفاصيل كافية لتمييز القمم المختلفة المستخدمة في تحليل ضغط الدم.

من الإشارات إلى عصابة معصم ذكية

بناءً على هذه المادة، أنشأ المؤلفون عصابة معصم مولدة لإشارات متعددة النماذج نشطة عن طريق دمج مصفوفة مستشعرات الهلام مع دوائر مرنة ووحدة إعادة إنتاج الإشارة واتصال لاسلكي. الجزء الصعب هو أن أوضاع الاستشعار الثلاثة تنتج تيارات كهربائية متداخلة. لفصلها في الزمن الحقيقي، درّب الفريق نموذج تعلم آلي قائمًا على شبكات الذاكرة الطويلة القصيرة الأمد مع آلية انتباه. يتعلّم هذا الخوارزم كيف يتطور التيار مع الزمن ويخصّص أجزاءً منه للحرارة أو الضغط أو العرق. في اختبارات محاكية للحالات اليومية — الراحة والمشي والجري والنوم والحمى — كانت القراءات المفكوكة متقاربة مع مقاييس الحرارة التجارية وأجهزة قياس معدل القلب ومحللات العرق. كما أن نفس عصابة المعصم استطاعت التقاط تغيّرات ضغط دقيقة من عضلات الساعد أثناء إيماءات اليد وبمساعدة مصنّف تعلم عميق ترجمتها إلى أوامر للتحكم بذراع روبوتية بدقة عالية.

الشعور عبر لمسة الروبوت

يتجاوز النظام السيطرة أحادية الاتجاه من خلال إغلاق الحلقة الحسية. عندما يُوضع نسخة أخرى من الجلد الإلكتروني الهلامي على يد روبوتية، تستشعر حرارة وقوة القبضة بينما يتعامل الروبوت مع الأجسام. تُرسل تلك الإشارات مرة أخرى إلى عصابة المعصم لدى المستخدم، التي تُشغّل سخانًا صغيرًا ومحرك اهتزاز. نتيجة لذلك، يمكن للمستخدم أن يشعر بالدفء أو البرودة أو الضغط الذي يعكس تجربة الروبوت، حتى عن بُعد. ميزات الأمان المدمجة في البرنامج يمكن أن تشير إلى أسطح شديدة السخونة أو البرودة وتمنع الروبوت من سحق الأغراض الهشة. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية أن مادة واحدة شبيهة بالجلد يمكنها الآن حصاد طاقة الجسم، وقراءة عدة علامات حيوية في آن واحد، ودعم تواصل لمسي ثنائي الاتجاه مع الآلات، مما يشير إلى مستقبل للأطراف الاصطناعية والروبوتات اللينة والعوالم الافتراضية التي تبدو أكثر طبيعية وحيوية.

الاستشهاد: Bai, C., Dong, X., Liu, Q. et al. A self-powered hydrogel electronic skin with decoupled multimodal sensing for closed-loop human-machine interactions. Nat Commun 17, 2675 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69450-9

الكلمات المفتاحية: جلد إلكتروني, مستشعر هلامي, مراقبة صحية قابلة للارتداء, واجهة إنسان-آلة, تغذية راجعة لمسية