ألياف أحادية البعد قابلة للتوسع والتمدد متعددة الوظائف للاستشعار والتحفيز متعدد الأنماط

خيوط لينة تصغي إلى الجسد

تخيل الأجهزة الطبية ليست على شكل رقع صلبة أو أدوات ضخمة، بل خيوط ناعمة رفيعة كالشعر يمكنها الانحناء والتمدّد والتحرك مع جسمك مثل ألياف قميص عادي. تقدم هذه الدراسة مثل هذه "الخيوط الإلكترونية"—ألياف رفيعة وقابلة للتمدد تستطيع استشعار الإشارات الكهربائية للجسم، تحفيز الأعصاب، بل وحتى نقل الطاقة لاسلكيًا عندما تُخاط داخل الملابس. إنها تعد بأجهزة قابلة للارتداء أكثر راحة، وزرعات ألطف، ومنسوجات ذكية تندمج تقريبًا بشكل غير مرئي في الحياة اليومية.

من الرقع المسطحة إلى الخيوط المرنة

تجلس الرقع الإلكترونية الحيوية التقليدية على الجلد مثل الملصقات. كثيرًا ما تنفصل مع التعرق، تشعر بالخنق، وتجد صعوبة في البقاء على اتصال وثيق أثناء حركة الجسم. ركز الباحثون بدلًا من ذلك على الألياف أحادية البعد، التي يأخذ شكلها الخيطي الرفيع مطابقة طبيعية للمنحنيات والطيات والنسيج المتحرك. الألياف قابلة للتنفس، خفيفة الوزن، وسهلة الغزل في الأقمشة أو ربطها حول هياكل صغيرة مثل الأعصاب. ومع ذلك كان من الصعب جعلها مفيدة فعلًا: إذ يجب أن تبقى الموصلات الداخلية ذات توصيلية عالية أثناء الشد والانثناء والتعرض لسوائل الجسم المملحة لفترات طويلة.

معدن سائل ملفوف حول قلب مطاطي

لحل هذه المشكلة، بنى الفريق نوعًا جديدًا من الألياف يختبئ فيه مسار من المعدن السائل داخل قلب بلاستيكي مرن. يبدأون بخيط رقيق من البولي يوريثان ويغلفونه خطوة بخطوة بطبقة لاصقة، وبذرة معدنية رقيقة، ثم بالنحاس. عندما يلتقي هذا الخيط المطلي بالنحاس بقطرة من معدن غاليوم القائم في حمض خفيف، يتفاعل المعدنان ويخترقان السطح، مكونين قشرة مستمرة وناعمة من المعدن السائل تلتصق بإحكام بالخيط. وبما أن الموصل سائل، فإنه يستطيع التشكل دون التشقق، محافظًا على توصيلية عالية جدًا حتى عند شد الألياف إلى أكثر من ضعفي طولها أو لفها في حلقات.

غلاف واقٍ واتصال لطيف مع الجلد

المعدن السائل العاري سيتآكل بسرعة في بيئات مائية مالحة مثل العرق أو الدم، لذا يضيف الباحثون سترة مرنة رقيقة تحكم بمنع الرطوبة لكنها لا تمنع تدفق الإلكترونات على طول المسار الداخلي. يمكنهم أيضًا ترك مقاطع مختارة من الألياف غير مختومة وتغطيتها بطبقة ناعمة موصلة من الكربون تعلوها بوليمر معروف بسلوكه الكهربائي المستقر في الظروف الرطبة. تعمل هذه المناطق المكشوفة كأقطاب، تلامس الجلد أو الأنسجة مباشرة مع حماية المعدن السائل تحته. تُظهر الاختبارات أن الألياف المطلية تحافظ على مقاومة مستقرة أثناء الشد الشديد والنقع الطويل في محلول ملحي، وأن أسطح الأقطاب تتحمل شحنة كهربائية بأمان دون انحلال.

خيوط تشحن وتستمع وتتحرك

بما أن هذه الألياف يمكن صنعها باستمرار ورفيعة مثل شعرة الإنسان، يمكن تطريزها في القماش باستخدام تقنيات نسيجية قياسية. في هوائيات نسيجية، نقلت لفائف المعدن السائل الطاقة لاسلكيًا بكفاءة، منافسة سلك النحاس القياسي بينما نجت من مئات دورات الانحناء التي قد تكسر السلك المعدني. عند ارتدائها مباشرة على الجسم، سجلت أقطاب الألياف إشارات القلب والعضلات بنقاء أكبر من رقع الجل التجارية، لا سيما أثناء الحركة أو التعرق، وبقوا مريحين بفضل قدرتهم على التنفس. وبجدل عدة ألياف معًا، سجل الفريق قنوات عضلية متعددة في آن واحد ومع برامج تعلم آلي تعرفوا على إيماءات اليد بدقة تكاد تكون كاملة.

التحكم اللطيف في الأعصاب وحماية الخلايا

اختبر الباحثون الألياف أيضًا داخل الجسم عن طريق لفها بشكل فضفاض حول عصب ساق صغير في الجرذان. أدت نبضات جهد قصيرة مرسلة عبر أقطاب الألياف إلى تقلص وتمديد أطراف الحيوانات الخلفية بطريقة مُتحكم فيها وقابلة للتكرار عبر نطاق من الترددات والجهود، وبقي التحفيز فعالًا حتى بعد أن نُقعت الأجهزة في محلول ملحي يحاكي سوائل الجسم لعدة أيام. في تجارب مزرعة الخلايا، لم تُظهر الأطواق الواقية الآمنة للأعصاب على الألياف سمية ملحوظة مقارنة بظروف المختبر القياسية، ما يشير إلى أن المواد لطيفة بما يكفي للتلامس طويل الأمد مع الأنسجة الحية.

لماذا تهم هذه الخيوط الذكية

بعبارات يومية، تحوّل هذه العمل الخيوط الناعمة والقابلة للتمدد إلى أسلاك ومجسات وأقطاب صغيرة شاملة يمكن نسجها في الملابس أو وضعها مباشرة على أجزاء حساسة من الجسم أو حتى حولها. تظل موصلة أثناء الحركة أو التعرق أو الشد، وتتفاعل مع الأعصاب والعضلات دون إلحاق ضرر واضح في الاختبارات الأولية. إن مزيج الراحة والمتانة والتنوع هذا يجعل هذه الألياف متعددة الوظائف أساسًا واعدًا لأجهزة قابلة للارتداء وزرعات من الجيل التالي—من أجهزة مراقبة القلب الأكثر موثوقية وأجهزة التحكم بالإيماءات إلى علاجات الأعصاب قليلة التدخل.

الاستشهاد: Yin, J., Zhu, J., Wang, S. et al. Scalable and stretchable 1D multifunctional fibers for multimodal sensing and stimulation. Nat Commun 17, 2496 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70178-9

الكلمات المفتاحية: الإلكترونيات الحيوية القابلة للتمدد, ألياف المعادن السائلة, أجهزة استشعار قابلة للارتداء, المنسوجات الإلكترونية, تحفيز الأعصاب