أجهزة نيورومورفية أيونترونية تتجدد ذاتياً لتفاعل إنسان-آلة موثوق

إلكترونيات طرية تعود للعمل بعد التلف

تخيل حزام ساعة ذكية أو طرف اصطناعي تبقى «أعصابه» عاملة حتى بعد الانحناء أو الخدش أو القطع—ثم تلتئم بهدوء من تلقاء نفسها. تقدم هذه الورقة نوعاً جديداً من الأجهزة الإلكترونية الطرية التي تستطيع استشعار ومعالجة الحركة كنوع مبسط من الدماغ وفي الوقت نفسه إصلاح أضرار ميكانيكية كبيرة، مما يجعل الأجهزة القابلة للارتداء والأطراف الصناعية والروبوتات المستقبلية أكثر موثوقية في الحياة اليومية.

لماذا لا تزال الدوائر الطرية الحالية تتعطل

تحاول الأجهزة الحديثة بشكل متزايد أن تحاكي مرونة الجسم، لكن الإلكترونيات الأساسية غالباً ما تكون مجرد نسخ رقيقة قابلة للثني من الرقائق الصلبة. طبقاتها النشطة هي أفلام مستمرة: بمجرد تشكل صدع عميق أو ثقب، يمكن أن تنهار مساراتها الكهربائية بشكل كارثي. حتى البلاستيك «الذاتي الشفاء» المتقدم يحل المشكلة جزئياً فقط. التمدد والإصلاح المتكرر قد يغير كيمياء المادة تدريجياً، مما يسبب تبايناً في الأداء—مشكلة خطيرة إذا كان الجهاز يعمل كعصب أو نظام تعلم. يجادل المؤلفون بأن الإلكترونيات الطرية الموثوقة حقاً يجب أن تجمع بين مواد ذكية وهندسة ذكية بنفس القدر.

التعلم من خطة جسم الدودة الأرضية

تقدم الديدان الأرضية مصدر الإلهام الرئيسي. يتكون جسدها من مقاطع متكررة، كل منها له مركز عصبي صغير خاص به. إذا أصيبت الدودة، يمكن للمقاطع المتبقية أن تستمر في العمل، ويمكن للأجزاء المتضررة أن تتجدد. بنقل هذه الفكرة إلى الإلكترونيات، بنى الباحثون شريطاً مرناً مغطى بالعديد من الوحدات الصغيرة على شكل قبة، كل منها يعمل كـ«خلايا عصبية» إلكترونية فردية. تصنع هذه القباب من هلام غني بالأيونات ينقل الإشارات باستخدام جزيئات مشحونة بدلاً من الأسلاك المعدنية التقليدية، ويمكنها أن تلتصق ببعضها بعد القطع. وبما أن الوحدات منفصلة عن بعضها، تتوقف الشقوق مادياً بدلاً من أن تنتشر عبر كامل الجهاز.

قبة هلامية صغيرة تتصرف كمشبك عصبي

في قلب كل وحدة يوجد أيونوجل مصمم خصيصاً، صلب ناعم يحتوي على شبكة من سلاسل البوليمر وسائل أيونية غير متبخرة. تتحرك أيونات الليثيوم عبر هذه الشبكة تحت تأثير تيار مطبق، محدثة استجابات كهربائية تشبه الطريقة التي تقوى أو تضعف بها المشابك البيولوجية مع النشاط المتكرر. نواة القبة غنية بأيونات الليثيوم، بينما يحتوي غلافها الخارجي على جزيئات صغيرة من أكسيد النيكل تساعد في حبس الأيونات وإبطائها. يؤدي هذا التصميم النواة–الغلاف إلى نبضات إشارية مستقرة وقابلة للضبط يمكنها تخزين «ذاكرة» لعدة ثوانٍ، ودعم عشرات المستويات المميزة، والتغير بسلاسة مع نمط نبضات الدخل. والأهم أن القبة عند قطعها إلى نصفين وتركها تلتئم تستعيد قوتها الإشارية إلى ما يقارب قيمتها الأصلية، ويمكن للمادة حتى استعادة شكلها بعد تشوه شديد.

مصممة لتحمل القطوع والمنحنيات والظروف الخارجية

بما أن الجهاز مكوَّن من مصفوفة من القباب المستقلة، فإنه يتصرف أكثر كمجموعة من النهايات العصبية المرنة بدل أن يكون طبقة هشة واحدة. يمكن فصل الوحدات الفردية وإعادة لصقها على روافع جديدة وتواصل عملها بشكل طبيعي. شوهد سلوك موحد واستقرارية في رقاقة تحتوي على أكثر من مئة قبة حتى عند ثنيها إلى انحناءات قوية. كما تقاوم كيمياء الأيونوجل الجفاف والتحلل: بعد مرور عام في الهواء العادي، بقي استجابة الإشارة أكثر من 90٪ من قيمتها الأصلية. يوفر هذا الجمع بين هندسة التقسيم، والمادة ذاتية الشفاء، وذاكرة الشكل طبقات متعددة من الحماية ضد البلى والتمزق في العالم الحقيقي.

تعليم «عصب» طري لقراءة حركة الإنسان

لإظهار ما تستطيع هذه الأجهزة فعله، بنى الفريق نظام استشعار حركي بسيط قادر على الإدراك. قاس مستشعر حركة صغير في يد شخص تسارعاً والتفافاً، ثم حوّل تلك الإشارات إلى نبضات كهربائية أرسلت إلى إحدى قباب الهلام. كانت استجابة القبة تعتمد على نمط وتاريخ النبضات، مما شفر فعلياً كيف تحرك الذراع على طول مسار. بعد التدريب، تمكن النظام من التمييز بين عدة مسارات وتسلسلات دوران بدقة تصل إلى 98٪. والأكثر إثارة للاهتمام، عند قطع القبة إلى نصفين وتركها لتلتئم انخفضت دقة التعرف قليلاً فقط، لتظل حوالي 96٪. ثم أرسلت تعليمات المسار المفككة لاسلكياً إلى روبوت يشبه الثعبان، فتبع المسارات التي أشار إليها الإنسان بنجاح.

نحو أجهزة قابلة للارتداء وروبوتات مقاومة للضرر

بعبارات بسيطة، يوضح هذا العمل كيفية بناء «أعصاب» مرنة للآلات يمكنها أن تتعلم من الحركة وأن تتعافى من أضرار جسيمة. بمحاكاة خطة الجسم المقطّع والمتكررة للديدان الأرضية ودمجها مع مادة أيونية ذاتية الشفاء، يبتكر المؤلفون أجهزة نيورومورفية تستمر في العمل في ظروف كانت ستعطل الدوائر التقليدية. قد تؤدي هذه التقنية في النهاية إلى أطراف صناعية تظل موثوقة بعد الحوادث، ومعدات تأهيل طرية تصمد أمام الاستخدام اليومي، وروبوتات تبقى مستجيبة حتى في بيئات قاسية وغير متوقعة.

الاستشهاد: Li, Y., Chen, J., Tang, S. et al. Self-revival iontronic neuromorphic devices for robust human-machine interaction. npj Flex Electron 10, 59 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00566-0

الكلمات المفتاحية: أجهزة نيورومورفية مرنة, إلكترونيات ذاتية الشفاء, أيونوجل, تفاعل الإنسان مع الروبوت, أجهزة استشعار قابلة للارتداء