عضلات اصطناعية من البصل والذهب

العضلات عبارة عن محركات صغيرة لها القدرة على الانحناء والتقلص والتمدد عند خضوعها لتحفيز خارجي. ومع ذلك لا توجد حتى الآن عضلات اصطناعية قادرة على إنجاز هذه المهام معاً، وتمتلك عضلات الإنسان القدرة على الانحناء والتقلص في الوقت ذاته وهو أمر يصعب على الباحثين محاكاته، ولكن ونتيجة لدراسة جديدة تبين لهم أن بشرة البصل مشابهة جداً للبنية المجهرية التي يبحث عنها العلماء والملائمة للتصميم عضلات اصطناعية.

يتمتع النوع الجديد من العضلات الاصطناعية بدرجة أعلى من المرونة وقابليته للانثناء مقارنة بالعضلات فائقة القوة التي سبق أن طورها باحثون آخرون في 2013.

ففي تقرير جديد شرح العلماء باختصار كيف طوروا عضلات اصطناعية باستخدام قشور البصل المترابطة بواسطة الذهب.

مزيج غريب ! ولكنه يعمل، فالعضلات المطورة حديثاً قادرةٌ على التمدد والتقلص في اتجاهات مختلفة تماماً كعضلات البشر، وهو ما كان العلماء يحاولون صناعته في الماضي.

لم يخطط الباحثون لاستخدام قشور البصل تحديداً، لكنهم سرعان ما اكتشفوا أن طبقة البشرة، وهي الطبقة الشفافة في البصل (وليست القشرة الخارجية الجافة)، كانت مثالية لما يحاولون إنجازه، فقد اكتشفوا أن البنية المجهرية لخلايا طبقة شبكية مفردة من بشرة البصل، تصبح مرنة بعد معالجتها بالحمض وتستطيع في الوقت نفسه التمدد والانحناء عند تطبيق حقل كهربائي عليها، ومع تعديل مقدار الجهد المطبق تميل العضلة الاصطناعية المصنوعة من خلايا بشرة البصل في اتجاهات متعاكسة إما تقلصاً أو تمدداً.

فعند تطبيق جهد 0 - 50 فولت تكون العضلة ممدودة بانحراف أقصاه (- 30) ميكرومتر، أما عند الجهد 50 - 1000 فولت تتقلص العضلة الاصطناعية بانحراف قدره 1 مم. وتعطي أقصى استجابة على شكل قوة بمقدار (20) ميكرو نيوتن عند 1000 فولت، ويبين المخطط إستجابة طبقة البشرة في البصل لكل من الجهد المنخفض والمرتفع مع وجود طبقة الذهب

تم تطوير محركات جديدة مؤخراً اعتماداً على مواد متنوعة، مثل اللدائن العازلة، والبولميرات التي تغير شكلها بالكهرباء، والبولميرات الحرارية والبصرية والناقلة، مركبات البولمير... وغيرها، إلا أن الباحثون اكتشفوا أن الجدران المتموجة العلوية والسفلية للخلايا المرتبة شبكياً في خلايا بشرة البصل يمكن استخدامها لصناعة عضلة اصطناعية مُقادةٌ ذاتياً في كل من التقلص والتمدد وذلك عبر تعديل الجهد المطبق، ونحصل في ذات الوقت على انحناء أكبر.

وبما أن خلايا البصل تتشكل طبيعياً فإن ذلك يوفر الكثير من الجهد في الصناعة، بالإضافة إلى أن عملية فصل خلايا بشرة البصل عن باقي البصلة تعد سهلة نسبياً.

- بنية خلية البصل والمعالجات عليها:

تتشكل جدران الخلايا البصل طبيعياً من 21% سيلولوز، 36.6% هيميسيلولوز، 42.4% بكتين. حيث يتم فصل السيلولوز والهيميسيلولوز باستخدام المياه، ليتم إزالة والهيميسيلولوز بعملية معالجة حمضية، حيث يُحلمه الهيموسيلولوز ويُزال من جدار الخلية باستخدام تراكيز من حمض الكبريت تعادل على الأقل 1% من الوزن.

و ذلك لأن التشابك بين ألياف السيلولوز والهيميسيلولوز خلال عملية الجفاف تعيق تغيير شكل الخلايا مما يقلل من مرونتها مرنة، لذلك تتم إزالة الهيميسيلولوز من جدار الخلية، و لا يبقى بعدها سوى السيلولوز البلوري

ويبين الشكل آلية استخلاص طبقة البشرة وتجفيفها وصورة بممجهل المسح الإلكتروني بشكل سطحي ومقطع عرضي يبين الخلايا في الطبقة

-آلية المعالجة لخلايا البصل:

فصل الباحثون طبقة واحدة من بشرة البصل، وعالجوها بالحمض لإزالة الجزيء الذي يجعل الخلايا صلبة (أقل قابلية للانحناء)، وتم تبريدها وتجفيفها وطلائها بالذهب مما جعلها موصلةً للكهرباء.

وبالتالي وخلال هذه العملية تم إزالة الماء من خلايا طبقة قشرة البصل، مع الإبقاء على جدران خلوية سليمة، وتم تغليفها بطبقتين من الذهب (24 نانومتر في الأعلى و50 نانومتر في الأسفل) ويتم التغليف بسماكتين مختلفتين لجعل القابلية للانحناء مختلفة بين الطرفين كما أن الذهب يجعلها أكثر مرونة وقدرة على الحركة كالعضلات البشرية، ويبين الشكل مراحل معالجة خلايا البصل وإزالة الهيميسيلولوز بعد إضافة الحمض ومن ثم التسخين إلى درجة حرارة 120 تم إزالة معظم الهيميسيلولوز ومن ثم وضع طبقات الذهب في الشكل (B)ويبين الشكل (C) مخطط للنظام المستخدم

- مرحلة التجريب وتطبيق الجهد:

عندما يطبق فرق جهد بين (0-1000) فولت تنشأ قوى كتروستاتيكية تشوه الخلايا البصلية مسببة لها انحناء يرافقه إما تقلص أو تمدد. فبسبب البنية الخاصة لخلايا البصل فإن تغيير مقدار فرق الجهد المطبق سيسبب انحناء محرك خلية البصل في اتجاهات مختلفة وعند عدم تطبيق أي فرق في الجهد فإنه لا يحدث أي تشوه.

فعند تطبيق فرق ضئيل في الجهد (0-50) فولت تتمدد البنية وتنحني نزولاً ، ويحدث هذا التمدد لأن البنية المنحنية الأصلية لخلايا البصل تصبح مستوية بسبب الاختلاف في سماكات الذهب بين الجوانب العلوية والسفلية لطبقة الخلية فالعلوية ذات مرونة أكبر من السفلية. تسمح لأعلى الخلية بالتمدد أكثر من أسفلها مجبراً إياها على الانحناء نحو الأسفل.

وأما عندما يزداد فرق الجهد في المجال : (50-1000) فولت فأن الوجوه المستوية العلوية والسفلية للمحرك تتقعر مسببة انحناء وتضيق للأعلى.

خلايا البشرة النباتية تعد رخيصة ويسهل الحصول عليها، دون أي تكلفة على البيئة. ونظراً لتنوع النباتات وهياكلها، فإن اكتشاف فوائد لاستخدامات الهياكل الطبيعية في الهندسة أمر له فوائد عظيمة. ما رأيكم ؟

#تكنولوجيا #عضلات_اصطناعية

المصادر:

هنا

هنا