『قصة الغلاف』من النانومتر إلى أقل من المليمتر: تحول الروبوتات الدقيقة!

المجلد 24 العدد 1، يناير 2025

تشينغكون ليو، وي وانغ، هيماني سينهمر، إيتاي جرينياستي، جيسون زي كيم، جاكوب تي بيلستر، باراجكومار تشودري، مايكل إف رينولدز، مايكل سي كاو، ديفيد إيه مولر، أليسا بي أبسيل، نيكولاس إل أبوت، هاداس كريس غازيت، بول إل ماكوين وإتاي كوهين

غلاف هذا العدد من مواد الطبيعة يكون "روبوتات ميتاشيت مجهرية قابلة للتكوين إلكترونيًا"تم نشره بواسطة البروفيسور إيتاي كوهين من جامعة كورنيل و أستاذ مشارك ليو تشينغكون جامعة شنغهاي جياو تونغ.

الخلفية البحثية

في مجال علم الأحياء الدقيقة، يُعدّ تغيير الشكل أمرًا أساسيًا لحركة الكائنات الدقيقة. ومع ذلك، لطالما مثّل تحقيق هذا التغيير في الشكل في الروبوتات التي يقل حجمها عن المليمتر تحديًا تقنيًا. ويعود ذلك أساسًا إلى أنه مع تناقص الحجم، تبرز بشكل خاصّ عوائق مختلفة مرتبطة بالتصغير (مثل صعوبة التصنيع، وتصميم آلية القيادة، إلخ). لذلك، يُعدّ تطوير روبوتات قادرة على تغيير شكلها على المقياس المجهري أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز تطوير تكنولوجيا الروبوتات الدقيقة.

أهمية البحث

أثبتت هذه الدراسة بنجاح قدرة روبوتات ميتاشيت مجهرية إلكترونية قابلة للبرمجة والتشوه، متغلبةً على تحديات التصغير. تستخدم هذه الروبوتات بنية كيريغامي بخمس درجات من حيث الحجم، من مفصلات مُدارة كهروكيميائيًا بقطر 10 نانومتر إلى ألواح قابلة للطي بقطر 100 ميكرومتر لتحقيق تمدد موضعي. تُنظم هذه الألواح في خلايا وحدوية قادرة على التمدد والانكماش بنسبة 40%، مما يُنشئ سطحًا ميتاشيًا يضم أكثر من 200 مفصل ومناطق مستقلة مُدارة إلكترونيًا ضمن حجم روبوت يبلغ حوالي 1 مم. يُمكّن هذا التصميم الروبوت من التبديل بين هندسة مستهدفة مختلفة بتوزيعات انحناء فريدة. ومن خلال التحكم إلكترونيًا في مناطق مستقلة وضبط تأخيرات الطور مسبقًا، حققت هذه الدراسة أيضًا سرعة حركة الروبوت.

لا تُثبت هذه النتيجة البحثية جدوى التغيرات الشكلية على المستوى المجهري فحسب، بل تفتح أيضًا آفاقًا جديدة لتطوير روبوتات مجهرية، مستمرة، متوافقة، وقابلة للبرمجة. ولا يُعد هذا إنجازًا كبيرًا في مجال الروبوتات فحسب، بل يُوفر أيضًا أساسًا نظريًا ودعمًا تقنيًا لمجموعة واسعة من التطبيقات، مثل الآلات الدقيقة القابلة لإعادة التكوين، والأسطح البصرية القابلة للضبط، والأجهزة الطبية الحيوية الدقيقة.

آفاق البحث

من المتوقع أن تُعزز نتيجة هذا البحث تطوير سلسلة من التطبيقات المبتكرة. ففي مجال الآلات الدقيقة القابلة لإعادة التشكيل، يُمكن استخدام تقنية التغيير الشكلي المجهرية هذه لتصنيع آلات دقيقة قادرة على تعديل أشكالها تلقائيًا وفقًا للتغيرات البيئية أو متطلبات المهام. وفي مجال الأسطح البصرية القابلة للضبط، يُمكن من خلال الضبط الديناميكي لشكل السطح تحقيق تلاعب دقيق بالضوء، مما يُحدث تغييرات ثورية في مجالات مثل الاتصالات البصرية والتصوير والاستشعار. بالإضافة إلى ذلك، في مجال الطب الحيوي، من المتوقع استخدام هذا الروبوت الدقيق القابل للبرمجة في مجالات متطورة مثل الطب الدقيق، وتوصيل الأدوية داخل الجسم الحي، والجراحة الدقيقة، مما يُحسّن بشكل كبير من الكفاءة والدقة الطبية.

عملية تصميم الغلاف

1. يركز تصميم الغلاف بشكل رئيسي على إظهار قدرة الروبوتات المجهرية على التشوه في ظل التكوين الإلكتروني. من خلال تسليط الضوء على التغيرات الهيكلية لهذه الروبوتات الدقيقة على مقاييس مختلفة، يُظهر التصميم قدرة الروبوتات على التشوه من مستوى النانومتر إلى مستوى أقل من المليمتر المذكور في البحث. يعتمد التصميم على نظام الألوان الرئيسي، وهو الذهبي والبرتقالي، اللذين يرتبطان غالبًا بالتكنولوجيا والمستقبل والحيوية. يُعزز تأثير التدرج اللوني الذهبي والبرتقالي التأثير البصري، مع إبراز الطابع الديناميكي ثلاثي الأبعاد للهيكل. تستخدم الخلفية درجة لونية داكنة لإبراز هيكل الروبوت الساطع في المقدمة.
2. يميل أسلوب التصميم إلى الجمع بين التكنولوجيا المستقبلية والتجريد، ويمنح الغلاف طابعًا عصريًا وعالي التقنية. يُعرض هيكل الروبوت المجهري على الغلاف بشكل هندسي ثلاثي الأبعاد، وتُعزز تأثيرات الضوء والظلال الطبقات البصرية. كما يستخدم الغلاف نمط خلفية شبكية، مما يُوحي بمفهوم الرقمنة والواقع الافتراضي. يُنفذ هيكل الروبوت المجهري على الغلاف من خلال نمذجة هندسية معقدة، مما يُظهر شكلًا دقيقًا ومستقبليًا. يُقدم هيكل الروبوت تصميمًا مشابهًا للكيريغامي، مما يُوحي بقابليته للتشوه. تتميز النمذجة بتفاصيل غنية، كما أن انعكاس السطح ومعالجة الظلال دقيقة، مما يُعزز الإحساس ثلاثي الأبعاد والواقعي.
3. نجح الغلاف في نقل قدرة الروبوتات المجهرية على التحول في ظل التكوين الإلكتروني من خلال تصميم مستقبلي وتكنولوجي، جاذبًا انتباه القراء، ومُجسدًا في الوقت نفسه أحدث التقنيات والابتكارات في هذا المجال. وفي النهاية، نال الغلاف استحسانًا كبيرًا من المعلمين ومحرري المجلات، ونُشر بنجاح!