مذبذب ثنائي الوضع يتحكم به كهربائياً مبني على مطاط سائل بلوري

آلات تتحرك بنفسها

تعتمد العديد من الآلات التي تُبقي مصانعنا ومستشفياتنا ومختبراتنا في حالة تشغيل على محركات كهربائية وإلكترونيات للحركة ذهابًا وإيابًا بإيقاع ثابت. لكن في أماكن مليئة بمجالات مغناطيسية قوية، أو في أعماق البحار، أو حتى داخل الجسم، يمكن أن تصبح تلك الإلكترونيات ضخمة أو غير موثوقة أو غير آمنة. يقدم هذا العمل نوعًا جديدًا من "القلب" الميكانيكي النابض المصنوع من مواد لينة مطاطية يمكنه التأرجح بنفسه باستخدام بطارية بسيطة فقط، ما يفتح الباب أمام أجهزة أكثر ذكاءً ومتانة تعمل حيث تتعثر المحركات التقليدية.

محرك لين بوضعيتين استراحيتين

في جوهر العمل جهاز ميكانيكي صغير يُدعى مذبذب ثنائي الوضع، لديه وضعا استراحة مفضّلان بدلًا من واحد. بنى المؤلفون هذا الجهاز حول قضيب اهتزازي مركزي مدعوم بشعاعين بلاستيكيين مقوسين مسبقًا، مثل أرجوحة صغيرة محمولة بين نوابض مرنة. على كل جانب من القضيب أرفقوا شريطًا من مادة خاصة تُعرف بالمطاط السائل البلوري، والتي تتصرف قليلاً كعضلة اصطناعية: عند تسخينها كهربائيًا تنقبض، وعند تبريدها تسترخي وتطول. يعمل موصل منزلق أسفل الجهاز كمفتاح ميكانيكي بحت يقرر أي جانب يُزوَّد بالطاقة في أي لحظة. تشكل هذه الأجزاء معًا حلقة مغلقة حيث الحركة والتسخين يدفعان بعضهما البعض باستمرار دون أي متحكم رقمي.

كيف تجعل العضلات اللينة النظام ينقر

عندما يُسخَّن أحد أشرطة المطاط السائل البلوري بفولتية منخفضة وثابتة، فإنه ينقبض ببطء ويسحب القضيب الاهتزازي نحوه. مع ميل القضيب، تنثني الشعاعان المقوسان وتخزنان طاقة مرنة، مشابهة لشد نابض. عند بلوغ زاوية حرجة، تنقلب الشعاعان فجأة إلى الشكل المعاكس، مطلقة طاقتهما المخزنة في حركة سريعة وقوية تقلب القضيب إلى موضعه الثابت الآخر. هذا التغير السريع يحرّك أيضًا الموصل المنزلق بحيث تُقطع الطاقة عن الشريط الأول وتُوَجَّه إلى الشريط المقابل. تتكرر العملية بعد ذلك بالعكس: الشريط الذي يُزوَّد بالطاقة حديثًا يسخن وينقبض، ويخزن الطاقة في الشعاعين، ويطلق نقرة أخرى. بهذه الطريقة، تتحول تغذية تيار مستمر ثابتة إلى حركة ذهاب وإياب وإشارة كهربائية نابضة، كل ذلك بضبط ميكانيكا الجهاز نفسه.

ضبط القوة والسرعة والتحمل

اختبر الباحثون بعناية كيف تتصرف العضلات الاصطناعية والهياكل الحاملة. من خلال تغيير الجهد الكهربائي، أظهروا أن أشرطة المطاط السائل البلوري يمكنها أن تُنتج انقباضات وقوى كبيرة وقابلة للعكس، كافية لإحداث القفزة دون إتلاف الشعاعين. ساعدت المحاكاة الحاسوبية في اختيار الطول والسمك والصلابة المناسبة للشعاعين البلاستيك المقوَّسين بحيث يكون للجهاز حالتا استقرار مع حاجز طاقة محدد بينهما. أظهرت التجارب أن المذبذب يمكنه الحفاظ على زاوية تأرجحه ودورته عبر عدد كبير من الدورات مع تغييرات طفيفة فقط، مما يدل على متانة جيدة. كما رسموا خريطة لكيفية سيطرة الجهد وسُمك الفيلم على أوقات التسخين والتبريد: فالفولتية الأعلى والأفلام الأسمك تقصران مرحلة التسخين، بينما يبقى التبريد أبطأ بالمقارنة، ما يحد في النهاية من التردد الأقصى. يوفر هذا الفهم قواعد تصميم لضبط سرعة وقوة حركة المذبذب.

من الأسماك الروبوتية إلى آلات الفرز الذاتي

لإظهار إمكانيات هذا المحرك اللين، بنى الفريق سمكة روبوتية صغيرة يقود المذبذب ذيلًا مرنًا لها. زوَّدت بطارية صغيرة داخل هيكل مطبوع ثلاثي الأبعاد بالطاقة الثابتة، بينما حوّل آلية القفزة التسخين البطيء إلى رفْرَفة ذيلية حادة في الماء. أظهر تحليل الفيديو أن السمكة تقدمت بطريقة متقطعة: فترات توقف طويلة أثناء تراكم الطاقة تليها اندفاعات مفاجئة عندما ينقلب الذيل. بعد ذلك، ربط الباحثون مذبذبين بحيث تناوبا القفز بصورة معكوسة، فقط من خلال ترتيب ذكي للمفاتيح الميكانيكية والأسلاك. أخيرًا، ركبوا ثلاثة مذبذبات تحت قرص مثقّب يحمل كرات مختلطة بحجمين. حفزت الاهتزازات المتزاحة الطور مرور الكرات الصغيرة عبر الثقوب بينما تُركت الأكبر، محققة فرزًا آليًا قائمًا على الحجم دون مجسات أو متحكمات دقيقة.

لماذا يهم هذا للأجهزة الذكية المستقبلية

يبين هذا العمل أنه من الممكن بناء أنظمة ميكانيكية مدمجة ومنخفضة الجهد وتعاونية للغاية تفكر ببنيتها بدلًا من الإلكترونيات. من خلال دمج عضلات اصطناعية لينة مع شعاعٍ ذي شكل ذكي وموصلات انزلاقية بسيطة، يُنشئ المؤلفون مذبذبًا يخزن الطاقة ويطلقها بكفاءة، يقاوم التداخل الكهرومغناطيسي، ويمكن ربطه لتشكيل أنظمة معقدة مثل السباحة والفرز. ببساطة، يبرهنون على طريقة جديدة لصناعة آلات تتحرك وتنسق نفسها باستخدام هندستها وخصائص موادها فقط. قد تُستخدم هذه الأنظمة الميكانيكية الذكية في نهاية المطاف لتشغيل روبوتات لينة وأدوات طبية وأجهزة صناعية يجب أن تعمل بأمان وموثوقية في أماكن لا تستطيع المحركات التقليدية ودارات التحكم العمل فيها.

الاستشهاد: Liu, H., Yan, B., Zhou, R. et al. An electrically controlled bistable oscillator based on liquid crystal elastomer. npj Soft Matter 2, 10 (2026). https://doi.org/10.1038/s44431-026-00026-9

الكلمات المفتاحية: الروبوتات اللينة, العضلات الاصطناعية, المذبذات الميكانيكية, المطاط السائل البلوري, تحكم خالٍ من الإلكترونيات