In-vivo actuation of compliant dielectric elastomer artificial muscles via a peripheral nerve interface

تخيل عالماً يمكن فيه لأسلاك جسمك الخاصة أن تتحكم مباشرة في عضلة اصطناعية صغيرة زرعتها داخل نفسك. هذا ليس خيالاً علمياً؛ بل هو الطليعة في مجال "الإلكترونيات الحيوية المرنة"، وهو مجال يحاول سد الفجوة بين بيولوجيتنا اللينة والطرية وبين عالم الآلات الصلب والقاسي. لسنوات، برع العلماء في بناء مستشعرات يمكنها "الاستماع" إلى أعصابنا، وفك تشفير الهمسات الكهربائية التي تخبر أصابعنا بالتحرك أو عيوننا بالرمش. لكن جعل الآلات قادرة على "التحدث مجدداً" مع أنسجتنا — أي دفع أو سحب أو عصر الأنسجة بلمسة لطيفة مثل العضلة الحقيقية — كان يمثل مشكلة كبيرة. تكمن المشكلة في أن معظم العضلات الاصطناعية إما صلبة جداً (مثل ذراع الروبوت) أو ضعيفة جداً بحيث لا تستطيع تحريك الجلد الحقيقي. ولحل هذه المشكلة، يتطلع الباحثون إلى "المحركات المرنة العازلة" (DEAs). فكر في هذه المحركات كأوراق مطاطية رقيقة جداً ومطاطية تعمل كالمكثفات (الأجهزة التي تخزن الكهرباء). عندما تمدها بجهد كهربائي عالٍ، تنضغط من المنتصف وتتمدد عرضاً، محاكيةً الطريقة التي تنقبض بها العضلة الحقيقية. والسؤال الكبير كان دائماً: هل يمكننا أخذ هذه الأوراق المطاطية الرقيقة والحساسة ذات الجهد العالي، وتغليفها بأمان في بدلة مقاومة للماء، وجعلها "ترقص" داخل جسم حي، تحت تحكم عصب مباشر؟

تقول هذه الورقة البحثية: "نعم، يمكننا ذلك"، وقد فعلوا ذلك لأول مرة داخل كائن حي. سعى الباحثون، بقيادة ستيفانيا كونستانتينيدي وفريقها، لبناء "عضلة اصطناعية" لمساعدة المصابين بالشلل الوجهي على الابتسام مجدداً. الشلل الوجهي حالة صعبة حيث تتوقف الأعصاب عن التواصل مع العضلات التي ترفع فمك، مما يترك الوجه ثابتاً في تعبير محايد، أو حزين أحياناً. الحلول الحالية غالباً ما تتضمن جراحات معقدة لنقل عضلات من أجزاء أخرى من الجسم، وهو أمر يستغرق وقتاً طويلاً ويتطلب إعادة تدريب دماغك لاستخدامها. أراد الفريق اختبار نهج جديد أكثر نعومة: غرسة صغيرة مطاطية توضع مباشرة تحت الجلد وتنتظر إشارة من عصب لتسحب زاوية الفم نحو الابتسامة.

أولاً، كان عليهم تصميم العضلة. لقد أنشأوا نسخة "معززة" من الورقة المطاطية (تسمى rDEA) عن طريق وضع طبقات من السيليكون المطاطي بين أقطاب كربونية ناعمة وتعزيزها بألياف قوية وصغيرة مصنوعة من مادة PET (وهي نفس البلاستيك المستخدم في زجاجات المياه). تعمل هذه الألياف مثل عروق الخشب، مما يجعل العضلة تتمدد في اتجاه واحد محدد، تماماً مثل الألياف العضلية الحقيقية. اختبروا هذه العضلات على نموذج واقعي لجمجمة بشرية مغطاة بجلد اصطناعي (سيليكون). ووجدوا أنه عند تشغيل الجهد الكهربائي، تتمدد العضلة الاصطناعية، مما يسحب زاوية الفم الاصطناعية للأعلى. لقد تمكنوا من تمديدها بنسبة 14% تحت أحمال تشبه جلد الوجه الحقيقي، مما أثبت نجاح المفهوم على طاولة المختبر.

ثم جاء الاختبار الحقيقي: وضعها داخل كائن حي. استخدم الفريق جرذانًا تحت التخدير في هذه التجربة. صنعوا جيباً صغيراً تحت جلد الجرذ في ظهره وأدخلوا العضلة الاصطناعية الصغيرة المغلفة بالكامل بالداخل. وللتأكد من أن العضلة يمكنها تحريك الجلد بالفعل وليس مجرد التعثر بسبب الاحتكاك، استخدموا هلاماً خاصاً بالموجات فوق الصوتية، والذي عمل كمزلق، مما قلل المقاومة بين الغرسة والجلد. وعند تطبيق جهد عالٍ قدره 7 كيلو فولت (كيلوفولت)، نجحت الغرسة في دفع جلد الجرذ، وحركته بمقدار يصل إلى 0.78 ملم. قد يبدو هذا صغيراً، ولكن في عالم الغرسات الدقيقة، يعد هذا قفزة هائلة.

الجزء الأكثر إثارة، مع ذلك، كان "الواجهة العصبية". فبدلاً من مجرد الضغط على مفتاح عبر جهاز تحكم عن بعد، أراد الفريق أن يقوم الجهاز العصبي للجرذ بالعمل. قاموا بتثبيت غلاف مرن (يشبه سواراً صغيراً) حول العصب الوركي للجرذ (وهو عصب رئيسي في الساق). وعندما حفزوا العصب، انتقلت الإشارة الكهربائية عبر الغلاف وحفزت العضلة الاصطناعية على الحركة. استجابت العضلة في الوقت الفعلي، حيث حركت الجلد بالتزامن مع إشارة العصب. حتى أنهم اختبروا سرعات مختلفة، من 0.5 إلى 3 مرات في الثانية، وهو ما يغطي نطاق الحركات الطبيعية مثل الرمش أو الابتسام. كان التأخير ضئيلاً للغاية — مجرد بضع عشرات من الميلي ثانية فقط — مما يعني أن النظام يمكنه مواكبة سرعة الابتسامة الحقيقية.

إحدى الحيل الذكية التي استخدمها الفريق هي طريقة تفكير "معكوسة" بشأن العضلة. العضلات الحقيقية تسحب فمك للأعلى عندما تنقبض. لكن هذه العضلة الاصطناعية تعمل بالعكس: عندما تكون "مطفأة"، فإنها تسحب الجلد طبيعياً نحو الابتسامة. وعندما تقوم بتشغيل الجهد الكهربائي، فإنها تتمدد وتترك الجلد يسترخي ليعود إلى الوضع المحايد. هذه في الواقع "قوة خارقة" للمرضى الذين يعانون من الشلل. إذا كانت الغرسة "تعمل" دائماً (تحافظ على الابتسامة)، فإنها تستهلك طاقة شبه معدومة للبقاء في تلك الحالة لأنها تحتفظ بالشحنة مثل البطارية. إنها تحتاج فقط إلى دفعة صغيرة من الطاقة لتترك الوضع وتسترخي. وهذا يعني أن جهاز المستقبل يمكنه الحفاظ على وجه مشلول يبدو سعيداً ومتماثلاً دون استنزاف البطارية.

يشير الباحثون بحذر إلى أن هذه دراسة أولية، "حادة"، بمعنى أنها أجريت على حيوانات تم تخديرها ثم تم إنهاء حياتها بطريقة رحيمة فور انتهاء الاختبار. لم يتركوا الغرسات لأسابيع أو أشهر لرؤية كيفية تفاعل الجسم معها بمرور الوقت، كما لم يختبروها على البشر بعد. كما أشاروا إلى أن جلد الجرذ يختلف عن وجه الإنسان، وأن الهلام الذي استخدموه لتقليل الاحتكاك قد يحتاج إلى استبدال بشيء يدوم لفترة أطول داخل الجسم. ومع ذلك، تثبت هذه الدراسة أن الفكرة الأساسية تعمل: يمكنك زرع عضلة اصطناعية ناعمة ومطاطية ذات جهد عالٍ، ويمكنها الاستماع إلى عصب حي وتحريك الأنسجة بأمان. إنها خطوة تأسيسية، تظهر أن الجسر بين جهازنا العصبي والعضلات الاصطناعية الناعمة هو أمر ممكن، مما يمهد الطريق لأجهزة مستقبلية قد تتمكن يوماً ما من إعادة الابتسامة لأولئك الذين فقدوها.