محفز حيوي مقلّد مصنوع من مركب نانوي بوليمري فيروإلكتريك ريلكسور

روبوتات صغيرة تتحرك مثل الحشرات الحقيقية

تخيل روبوتاً بحجم يرقة يمكنه الزحف عبر تضاريس خشنّة، أو جهازاً شبيهاً بالفراشة يرفرف بأجنحته ويقلع عن الأرض — ومع ذلك مصنوع من قطعة بلاستيكية واحدة رقيقة كالورق ويستهلك طاقة أقل من ضوء ليد الليل. تصف هذه الورقة نوعاً جديداً من المواد اللينة التي يمكن أن تعمل كعضلة اصطناعية، مما يجعل مثل هذه الروبوتات بحجم الحشرات أبسط وأخف وزناً وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة من ذي قبل.

لماذا تهم الآلات الصغيرة واللينة

يمكن للروبوتات المصغرة المستوحاة من الحشرات أن تتسلل إلى المباني المنهارة للبحث عن ناجين، أو تزحف عبر أنابيب لفحص البنية التحتية، أو تراقب المحاصيل والغابات بهدوء. للعمل في هذه المساحات الضيقة وغير المتوقعة، يجب أن تكون صغيرة ومرنة وقوية، مع استهلاك منخفض جداً للطاقة. تعتمد العديد من التصاميم الحالية على تجميعات معقدة من التروس والمفاصل ومواد متعددة، ما يزيد الوزن ويهدر الطاقة ويصعب تصغيرها أكثر. يجادل المؤلفون أن الحل المثالي هو مادة واحدة يمكنها توليد الحركة ونقلها مباشرة، تماماً كما تفعل العضلات الحقيقية في الحيوانات.

بلاستيك ذكي مُهندس من الداخل إلى الخارج

في صلب هذا العمل فيلم بلاستيكي رقيق قائم على عائلة معروفة من المواد تسمى PVDF، والتي تُقدَّر بالفعل لقدرتها على التشوه عند تعريضها لحقل كهربائي. يخلط الباحثون هذا البلاستيك مع «نقاط بوليمرية» صغيرة جداً، جزيئات على مقياس النانومتر مغطاة بمجموعات كيميائية قادرة على تشكيل روابط هيدروجينية. عندما يُصب المزيج على شكل فيلم ويسخن بلطف بطريقة مُتحكم بها، يتبخر المذيب أسرع من السطح العلوي مقارنة بالسطح السفلي. هذا الجفاف غير المتكافئ، مع الروابط الهيدروجينية، يشجع سلاسل البلاستيك قرب السطح السفلي على الاصطفاف بترتيب قطبي عالي، بينما يبقى السطح العلوي أقل تراتباً. النتيجة هي تدرج داخلي مضمّن عبر سمك الطبقة الواحدة.

من بنية خفية إلى حركة قوية

لدى هذا التدرج البنيوي الدقيق مردود ميكانيكي كبير. عندما يُطبق حقل كهربائي عبر الفيلم، تستجيب المنطقة السفلية الأكثر ترتيباً وذات الاستقطاب القوي أكثر من الجزء العلوي، فيتوسّع أحد جانبي الشريحة أكثر من الآخر. هذا الاختلال يجعل الشريط ينثني بأكمله، شبيهاً بشريط ثنائي المعدن الكلاسيكي في منظم الحرارة، لكن هنا يحدث في فيلم عضوي مرن لا يزيد سمكه عن عشرات الميكرومترات. تُظهر قياسات دقيقة أن الفيلم يمكن أن يغيّر طوله بما يصل إلى نحو 14 في المئة ويخزن كثافات طاقة ميكانيكية تقترب من تلك الخاصة بالمحفزات الخزفية الصلبة — ومع ذلك يظل طرياً وخفيف الوزن. بالمقارنة مع فيلم مطابق دون نقاط بوليمرية أو معالجة تدرجية، تنتج المادة الجديدة إجهادات أكبر بعدات و تحول الطاقة الكهربائية إلى حركة بكفاءة أعلى بكثير.

بناء يرقة زاحفة وفراشة طائرة

لإظهار ما يمكن أن تفعله هذه المادة عملياً، يقطع الفريق الفيلم إلى أشكال تشبه الحشرات ويضيف أقطاباً بسيطة قائمة على الكربون ودعائم نحاسية رقيقة. تصميم واحد يشبه يرقة صغيرة لها وسط أعرض ونهايات مدببة؛ عندما يُطبق حقل كهربائي متناوب، ينثني الشريط بنمط إيقاعي ويزحف على مسار مخطط بسرعات تصل إلى عدة أطوال جسم في الثانية، مستهلكاً بضعة ميلي واط فقط من الطاقة. تصميم ثانٍ يحاكي فراشة، بمنطقة وسطى نشطة وأجنحة مرنة. مدفوعة بإشارات كهربائية مماثلة، ترفرف الأجنحة بسرعة ويمكن أن ترفع الجهاز عدة مليمترات عن منصة، حتى وهي تحمل أحمالاً تصل إلى عشرين ضعف وزنها الخاص — وكل ذلك بكتلة محرك إجمالية تبلغ نحو 50 مليغراماً.

ما الذي يعنيه هذا لروبوتات صغيرة مستقبلية

تُظهر هذه الدراسة أنه من خلال هندسة دقيقة لكيفية تنظيم مادة بلاستيكية من جانب إلى آخر، يصبح من الممكن إنشاء ورقة واحدة فائقة الرقة تنثني بقوة تحت حقل كهربائي ويمكنها تسيير حركات معقدة تشبه الحياة. رغم أن الأجهزة الحالية لا تزال تتطلب فولتية عالية نسبياً، فإن استهلاكها المنخفض للغاية للطاقة وبنائها خفيف الوزن يجعلها لبنات واعدة لروبوتات وأجهزة ذكية بحجم الحشرات في المستقبل. مع مزيد من التحسينات لخفض جهد التشغيل، قد تمكّن أفلام مماثلة في يوم من الأيام أساطيل من الآلات الصغيرة المستقلة التي تزحف وترفرف وتستكشف العالم باستخدام عضلات صناعية لا يتجاوز سمكها شعرة.

الاستشهاد: Chi, H., Bai, P., Zhou, Z. et al. Biomimetic actuator crafted from a relaxor ferroelectric polymer nanocomposite. Nat Commun 17, 2155 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70165-0

الكلمات المفتاحية: الروبوتات اللينة, عضلات صناعية, محفزات بوليمرية, روبوتات على مقياس الحشرات, مواد إلكترونية فعالة