نظام مراقبة في الوقت الحقيقي والتحكم ذو الحلقة المغلقة للغزل الكهربائي متعدد الفوهات بمصباح ليزر متحد المحور

جعل الألياف الصغيرة أكثر موثوقية

من فلاتر الهواء والكمامات إلى معالجة المياه والإلكترونيات القابلة للارتداء، تعتمد العديد من التقنيات الناشئة على صفائح من الألياف فائقة الرقة المسماة نانوألياف. غالبًا ما تُصنع هذه الألياف بواسطة تقنية تُعرف بالغزل الكهربائي، التي تسحب السائل إلى خيوط شبيهة بالشعر باستخدام الكهرباء. وعلى الرغم من قوة هذه الطريقة، فإنها قد تكون متقلبة: يمكن لمشتتات صغيرة أن تحوّل عملية سلسة إلى فوضوية، مما يؤدي إلى تباين في جودة الألياف. تعرض هذه الدراسة طريقة لمراقبة عملية الغزل الكهربائي متعددة الفوهات وتصحيحها تلقائيًا في الوقت الحقيقي، ممهِّدة الطريق لإنتاج أكثر موثوقية وقابلية للتوسع لمواد النانوألياف عالية الجودة.

كيف تَنسُج الخيوط الكهربائية شَبَكات

في الغزل الكهربائي، يُدفع سائل يحتوي على بوليمر مذاب عبر إبر دقيقة نحو لوحة معدنية. يشد حقل كهربائي قوي قطرة السائل عند طرف كل إبرة إلى شكل مدبب ثم إلى نفاثة، تترقق وتجف لتتحول إلى ليف صلب قبل أن يستقر على لوحة التجميع. لتعزيز الإنتاج، يفضل المصنعون استخدام عدة إبر في آن واحد، مكوِّنين نفاثات متعددة وبانية صفائح النانوألياف بسرعة أكبر. لكن كل نفاثة تتصرف بشكل طفيف مختلف، ويمكن لهبات الهواء أو الاهتزاز أو تغيُّرات صغيرة في تدفق السائل أن تتسبب في تنقيط بعض النفاثات أو اختفائها أو تصرفها بشكل غير منتظم. وبما أن الألياف صغيرة جدًا والنفاثات ضعيفة الظهور، خصوصًا عند استخدام العديد من الإبر، فمن الصعب مراقبة كل النفاثات في وقت واحد وضبط العملية قبل ظهور العيوب.

إضاءة النفاثات غير المرئية

واجه الباحثون مشكلة الرؤية هذه ببناء جهاز غزل كهربائي متعدد النفاثات مزود بثلاث إبر متحد المحور خاصة، كل واحدة تنقل كلًا من محلول البوليمر وحزمة ليزر ضيقة. يمر الليزر داخل الإبرة الداخلية ويندمج في النفاثة الناشئة، مما يجعل منطقة القطرة والنفاثة تتوهج بوضوح أمام الكاميرا دون أن يعطل عملية الغزل نفسها. توجه كاميرا صناعية عالية السرعة نحو المنطقة التي تتكوّن فيها النفاثات، بينما تستقبل حاسوب الصور ويزود مصدر طاقة عالي الجهد الحقل الكهربائي. تتيح هذه الترتيبة للنظام مراقبة شكل القطرة عند طرف كل إبرة (ما يسمى المخروط) والطول المرئي المستقيم لكل نفاثة، وهما مؤشّران أساسيّان على ما إذا كانت العملية تنتج أليافًا جيدة.

تعليم الحاسوب قراءة سلوك النفاثات

لتحويل الصور الخام إلى معلومات مفيدة، صمّم الفريق خوارزمية معالجة صور مخصصة للنفاثات المتعددة. أولًا، تنظف وتبسط كل إطار، محوِّلة إياه إلى أسود وأبيض بحيث تبرز النفاثات المتوهجة بوضوح مقابل الخلفية. ثم تعثر تلقائيًا على كل نفاثة وتُحاطها بحدود مستطيلة، متجنبة الحاجة للاختيار اليدوي. داخل كل مربع، تفصل الخوارزمية بين المخروط الشبيه بالقطرة والنفاثة الرفيعة أدناه، مستخدمة ترشيحًا رقميًا لإزالة الضوضاء وتمييز المخروط الأوسع عن النفاثة الضيقة. بعد ذلك تتتبع الخط الوسطي لكل نفاثة لقياس طولها المرئي وتطابق شكل المخروط إلى أشكال هندسية بسيطة مثل مثلثات أو دوائر أو قطع ناقص لحساب مساحته. كل ذلك يحدث في أقل من 40 مللي ثانية لكل إطار، سريع بما يكفي لمتابعة السلوك المتغير باستمرار لعدة نفاثات في الوقت الحقيقي.

من المراقبة إلى التصحيح في الوقت الحقيقي

قياس النفاثات هو نصف القصة فقط؛ التقدُّم الحقيقي هو استخدام تلك القياسات لتصحيح العملية تلقائيًا. بالاعتماد على التجارب، حدّد المؤلفون أربع حالات أساسية للنفاثة: قطرة متدلية بلا نفاثة، نفاثة رفيعة جدًا وغير مستقرة، نفاثة طبيعية مستقرة تنتج أليافًا منتظمة، ونفاثة متراجعة تُسحب إلى داخل الإبرة. بمزج مساحة المخروط وطول النفاثة، يستطيع الحاسوب تصنيف كل نفاثة إلى إحدى هذه الحالات. ثم يتبع مجموعة قواعد بسيطة: كلما أصبحت النفاثة قصيرة جدًا أو كبيرة جدًا أو متراجعة، يقوم النظام بزيادة أو خفض الجهد المطبق بخطوات صغيرة حتى تعود كل النفاثات إلى الحالة الطبيعية. وبما أن تغيُّرات الجهد تؤثر تقريبًا فورًا على السائل، يستطيع حلقة التغذية الراجعة هذه الاستجابة سريعًا للاضطرابات دون الاعتماد على ضبط أبطأ لتغذية السائل.

تحكم أدق، نانوألياف أفضل

عند مقارنة أغشية النانوألياف المنتجة مع وبدون نظام التحكم ذو الحلقة المغلقة هذا، كان الفرق واضحًا. بدون التصحيح التلقائي، كانت القطرات تسقط بين الحين والآخر على المجمع، مما يكسر ويبكّر الألياف ويتسبب في انتشار واسع لأقطار الألياف. مع المراقبة في الوقت الحقيقي وتعديل الجهد، بقيت النفاثات في حالتها المستقرة، وتراجع التنقيط إلى حد كبير، وكانت النانوألياف الناتجة ذات سمك أكثر انتظامًا. للقراء غير المتخصصين، الخلاصة أن الجمع بين التصوير الذكي والخوارزميات السريعة وقواعد تغذية راجعة بسيطة يمكن أن يحوّل عملية مخبرية حساسة وصعبة التحكم إلى أداة تصنيع أكثر متانة، مما يساعد في جعل فلاتر المستقبل والمواد الطبية وأجهزة الطاقة أكثر اتساقًا وأسهل إنتاجًا على نطاق واسع.

الاستشهاد: Jiang, J., Sun, Z., Chen, J. et al. Real-time monitoring and closed-loop control system for multi-jet electrospinning with coaxial laser. Sci Rep 16, 8225 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39655-5

الكلمات المفتاحية: الغزل الكهربائي, أغشية النانوألياف, مراقبة العملية, التحكم ذو الحلقة المغلقة, الاستشعار القائم على الصور