أجهزة استشعار نسيجية متعددة الوظائف ومستقلة الطاقة ممكنة بفضل هياكل ثنائية الأبعاد مطلية بالرذاذ

ملابس ذكية تولد طاقتها بنفسها

تخيل قميصاً يقيس درجة حرارتك والرطوبة من حولك وحتى المواد الكيميائية المتعلقة بالأمراض في نفسيتك—دون أن يحتاج أبداً إلى بطارية. تصف هذه الورقة خطوة من هذا النوع نحو ملابس ذكية حقيقية: أقمشة تولد كهرباءها من حركتك وتستخدم تلك الطاقة لمراقبة صحتك وبيئتك.

تحويل النسيج إلى مادة فعّالة

بدأ الباحثون بتحويل قماش البوليستر العادي إلى مادة إلكترونية باستخدام "رقائق" فائقة النحافة من مركبات الكربون والمعادن مبثوثة في خليط ماء–كحول. استخدموا طلاء الرذاذ بالموجات فوق الصوتية—بفكرة شبيهة بالرش الدقيق للطلاء—لوضع طبقات مجهرية من الجرافين متعدد الطبقات (مادة كربونية موصلة للغاية) وثنائيات كبريتيدات فلزات الانتقال مثل كبريتيد الموليبدنوم. تعمل هذه المحاليل كصبغات إلكترونية، تغطي كل ليف بشكل متساوٍ مع الحفاظ على نعومة ومرونة وقابلية تهوية النسيج. ومن خلال تكديس هذه الطلاءات في هياكل متغايرة مُتحكَّم بها بعناية، يحولون القماش الساكن إلى سطح منظم يمكنه تحريك الشحنات عندما يُلمَس أو يُضغط.

حصاد الطاقة من الحركة البسيطة

يُبنى القماش المطلي في جهاز صغير يُسمى مولد نانوي كهروضربي احتكاكي، ينتج كهرباء من التلامس والانفصال بين سطحين مختلفين. في هذا التصميم، يعمل طبقة النسيج المطلي كأحد جانبي الزوج، ويكمل النظام نسيج ثانٍ يحمل النحاس وغشاء بلاستيكي. عندما تطرق القطعتان بعضهما وتنفصلان—كما يحدث أثناء المشي أو التنفس أو النقر الخفيف—تتحرك الشحنة الكهربائية عبر طبقة الجرافين. من بين عدة مركبات معدنية اختُبرت، تميزت النسخة التي تستخدم كبريتيد الموليبدنوم، مولدة فولتات تقارب 60 فولت وكثافة طاقة قياسية لهذا النوع من الأجهزة النسيجية، وكل ذلك في حزمة تزن حوالي غرام واحد. يظل الناتج مستقراً للغاية على مدى أشهر من الاستخدام وبعد الانحناء المتكرر، مما يدل على أن القماش يستطيع تحمل الإجهاد الميكانيكي للاستخدام اليومي.

نسيج واحد، قدرات استشعار متعددة

بعكس العديد من أجهزة الارتداء التي تراقب إشارة واحدة فقط، صُمم هذا النسيج ليكشف عدة أشياء في آن واحد، كلها باستخدام نفس المخرج الكهربائي الأساسي الناتج عن النقر. تغيرات الرطوبة حول النسيج تُغير بدقة كيفية ترصُّد جزيئات الماء على سطح كبريتيد الموليبدنوم، مما يبدل بدوره حجم وتوقيت نبضات الجهد. يبيّن الفريق أن النسيج يمكنه اكتشاف تغيّرات صغيرة وقابلة للانعكاس في الرطوبة ضمن نطاق داخلي نموذجي. ثم عرّضوا الجهاز لأبخرة مختلفة توجد في نفس الإنسان والهواء الملوث—بما في ذلك الكحولات والأسيتون والهيبتان والتولوين والستيرين—ووجدوا أن كل مادة كيميائية تترك "بصمة" كهربائية خاصة بها. على وجه الخصوص، يقوم الأسيتون والستيرين، المرتبطان بحالات مثل السكري ومرض باركنسون، بتعديل الإخراج بشكل كبير، مما يسمح للنسيج بالعمل كأنف إلكتروني يعمل بذاته.

التركيز على أبخرة مرتبطة بالأمراض وحرارة الجسم

خصص المؤلفون اهتماماً خاصاً للستيرين، مركب صناعي خطر ومقترح كعلامة في الزفير لمرض باركنسون. عن طريق تزيين طبقة كبريتيد الموليبدنوم بجسيمات دقيقة من بلاستيك يُدعى بولي ثيوفين—الذي أظهر سابقاً استجابة بصرية في وجود الستيرين—قاموا بتكبير الاستجابة الكهربائية لهذه البُخرة بشكل كبير. يحقق النسيج الناتج تغيراً استثنائياً في التيار عند تعرضه للستيرين، مع أداء يتفوق على حساسات مخبرية سابقة تحتاج إلى مصادر ضوء خارجية أو إلكترونيات مستهلكة للطاقة. كما يستجيب نفس منصة النسيج بحساسية لتغيرات صغيرة في درجة الحرارة حول قيم الجلد الطبيعية. عند تركيبها كلاصقة صغيرة وقراءتها عبر متحكم دقيق بسيط وشريط ضوئي مرن، يمكن لنقرة سريعة على جلد دافئ أن تُشغّل تنبيهاً مرئياً، ما يلمّح إلى ملابس مستقبلية لرعاية الأطفال أو المسنين تنبه للحُمّى بلمسة.

ماذا يعني هذا للحياة اليومية

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أنه من الممكن "نسج" توليد الطاقة والاستشعار المتعدد الأغراض مباشرة في الأقمشة الشائعة باستخدام عمليات قابلة للتوسع ومائية الأساس. يمكن لرقعة نسيجية خفيفة واحدة أن تحصد الطاقة من الحركة العادية وتحوّل التغيرات الدقيقة في الرطوبة والحرارة ومواد كيميائية هوائية محددة إلى إشارات كهربائية قابلة للقراءة، كلها دون بطاريات. بينما لا يزال العمل مطلوباً للانتقال من نماذج المختبر إلى ملابس قابلة للغسل ومصنعة على نطاق واسع، يفتح هذا النهج مساراً واقعياً نحو أقمشة ذكية تراقب صحة وبيئة مستخدميها باستمرار مع الحفاظ على ملمس ومظهر مشابهين للملابس التي نرتديها بالفعل.

الاستشهاد: Kovalska, E., Routledge, J., Cancelliere, R. et al. Multifunctional, energy-autonomous textile sensors enabled by spray-coated two-dimensional heterostructures. npj Flex Electron 10, 49 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00539-3

الكلمات المفتاحية: أجهزة ارتداء ذاتية التشغيل, منسوجات ذكية, مولد نانوي كهروضربي احتكاكي, الجرافين وMoS2, مراقبة التنفس والحرارة