A mechanically embodied, double-network hydrogel adaptive memory element for reprogrammable actuation
تقدم هذه الورقة مشغلاً ميكانيكياً من الهيدروجيل ذي الشبكة المزدوجة والمحفز ضوئياً، والذي يدمج بين الانحناء الضو-حراري السريع والذاكرة الميكانيكية القابلة لإعادة الكتابة بصرياً وغير المتطايرة، مما يتيح تشغيلاً ليناً قابلاً لإعادة البرمجة ومعتمداً على التاريخ من خلال اقتران المقاييس الزمنية للاسترخاء الحراري واللزوجة المرنة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
الكائنات الحية لا تكتفي بمجرد التفاعل مع العالم، بل تتذكره. فالعضلة التي تم تدريبها على ممارسة رياضية تستجيب للحمل الجديد بشكل مختلف عن عضلة كانت في حالة راحة، والجهاز العصبي يتعلم عبر تغيير كيفية معالجته للإشارات المستقبلية بناءً على تجارب الماضي. هذه القدرة على تخزين حالة داخلية تغير سلوك المادة هي سمة مميزة للبيولوجيا، ومع ذلك تفتقر معظم الآلات من صنع الإنسان إليها. فالذراع الروبوتية الاصطناعية، على سبيل المثال، تُبنى بمجموعة ثابتة من التعليمات: اضغط على زر، وستتحرك مسافة محددة. إنها لا تتعلم من الحركة، ولا تغير سلوكها بناءً على عدد المرات التي تحركت فيها من قبل. لطالما سعى العلماء لبناء "ذكاء فيزيائي" في المواد اللينة، لابتكار أجهزة يمكنها الاستشعار والقرار والعمل دون الحاجة إلى حاسوب مركزي. وقد كان التحدي يكمن في جعل هذه المواد تتذكر تاريخها، ليس فقط كصدى مؤقت، بل كحالة مستقرة وقابلة لإعادة الكتابة، تماماً مثل كتابة ملاحظة ومسحها على ورقة.
لقد طور باحثون في جامعة بريستول والجامعة الوطنية الأسترالية مادة لينة قائمة على الماء تحقق هذا النوع من الذاكرة الميكانيكية. فقد صنعوا مشغلاً هيدروجيلياً (hydrogel actuator)، وهو عب rod صغير مصنوع من مادة تشبه الهلام تنحني عند تعرضها للضوء. وما يجعل هذه المادة فريدة هو أنها تجمع بين سلوكين مختلفين في هيكل واحد. جزء من الهلام يتفاعل فورياً مع الضوء، فينحني بسرعة ثم يعود ببطء إلى شكله الأصلي، تماماً مثل نابض يفقد توتره بمرور الوقت. أما الجزء الآخر من الهلام فيحتفظ بذاكرة للضوء الذي رآه، مغيراً صلابته الداخلية بطريقة تستمر لأيام. ومن خلال ربط هذين الجزأين معاً، بنى الباحثون جهازاً يمكن تدريبه لينحني أكثر أو أقل من المعتاد، ومن ثم إعادة تدريبه ليعود إلى سلوكه الأصلي، كل ذلك مع بقائه رطباً ومرناً.
تتكون المادة من شبكتين متشابكتين من الجزيئات. تحتوي الشبكة الأولى على جسيمات ذهبية نانوية وبوليمر حساس للحرارة. عندما يسلط ليزر على هذا الجزء من الهلام، تسخن الجسيمات الذهبية، مما يؤدي إلى انكماش البوليمر وانحناء القضيب. هذا التفاعل سريع وعكسي؛ فبمجرد إطفاء الضوء، يبرد الهلام ويعود ببطىً إلى شكله المستقيم. إذا تم نبض الضوء بشكل متكرر مع فترات راحة طويلة بينها، يعود الهلام إلى وضعه الأصلي في كل مرة. ومع ذلك، إذا جاءت النبضات بسرعة، فإن الهلام لا يجد الوقت الكافي للاسترخاء تماماً، وبالتالي يتراكم الانحناء قليلاً. يُعرف هذا السلوك باسم "المكامل المتسرب" (leaky integrator)، حيث تتذكر المادة الأحداث الأخيرة لفترة وجيزة، لكنها تنسى في النهاذ مع تبدد الحرارة وإعادة توزيع الماء داخل الهلام.
ولإعطاء الهلام ذاكرة دائمة، أضاف الباحثون شبكة ثانية تحتوي على جزيء خاص يسمى "أزوبنزين" (azobenzene). يمكن لهذا الجزيء أن ينتقل بين شكلين مختلفين، أو "متماكبات" (isomers)، اعتماداً على لون الضوء الذي يتلقاه. أحد الشكلين يكون مستقراً وصلباً، بينما الآخر يكون أقل استقراراً وأكثر ليونة. والأهم من ذلك، أنه بمجرد انتقال الجزيء إلى الشكل الصلب، فإنه يبقى هناك لفترة طويلة جداً ما لم يُضرب بلون محدد من الضوء لتحويله مجدداً. وعندما بنى الباحثون هلامهم ذو الشبكة المزدوجة، وجدوا أن صلابة المفصل حيث ينحني القضيب تعتمد على الحالة التي تكون عليها جزيئات الأزوبنزين. فإذا كانت الجزيئات في الشكل الصلب، ينحني الهلام بشكل أكثر حدة عند تعرضه لليزر. وإذا كانت في الشكل اللين، ينحني الهلام بشكل أقل.
أظهر الفريق أنه يمكنهم استخدام الضوء لـ "كتابة" سلوك جديد في الهلام. فمن خلال تسليط ليزر أزرق على مفصل هلام كان في حالة لينة في الأصل، أجبروا الجزيئات على الانتقال إلى الحالة الصلبة. بعد هذا التدريب، انحنى الهلام بشكل ملحوظ عند اختباره بنبضة ليزر قياسية، رغم أن نبضة الاختبار كانت مطابقة للنبضات المستخدمة سابقاً. لم يكن هذا الارتفاع في الانحناء تأثيراً مؤقتاً، بل استمر لعدة أيام. ثم أظهر الباحثون أنه يمكن مسح هذه الذاكرة؛ فمن خلال تسليط ليزر أخضر على المفصل لمدة ساعة، قاموا بتحويل الجزيئات للعودة إلى حالتها اللينة، وعاد الهلام إلى سلوكه الأصلي الأقل استجابة. تمكنوا بعد ذلك من كتابة الحالة الصلبة مرة أخرى، مما أثبت أن المادة يمكن إعادة برمجة سلوكها مراراً وتكراراً دون تدهور أو حاجة للجفاف.
هذا العمل يدحض فكرة أن التغير في السلوك كان ناتجاً عن مجرد إجهاد أو تلف للمادة. فلم يكن الهلام مجرد مادة "تعبت" وتوقفت عن الانحناء، بل غيرت بنشاط طريقة استجابتها للمدخلات نفسها. كما أظهر العمل أن الذاكرة لم تكن مجرد شكل ثابت يتم الحفاظ عليه عن طريق الجفاف، كما هو الحال في بعض مواد "ذاكرة الشكل" الأخرى. بدلاً من ذلك، كانت الذاكرة مخزنة في الحالة الكيميائية للجزيئات نفسها، والتي غيرت الخصائص الميكانيكية للهلام الرطب أثناء عمله. ووجد الباحثون أن التأثير كان غير متماثل: فتبديل الجزيئات إلى الحالة الصلبة زاد من الانحناء، لكن تبديلها للعودة لم يقلل الانحناء بشكل متماثل تماماً. وهذا يشير إلى أن التغير في الصلابة يغير كيفية انتقال القوة عبر سمك الهلام، مما يخلق استجابة غير خطية تعتمد على تاريخ المادة.
تكمن أهمية هذا الاكتشاف في كيفية تغيير طريقة تفكيرنا في الآلات اللينة. فبدلاً من بناء روبوت يعتمد على مستشعرات وحواسيب خارجية لتقرير كيفية الحركة، يجسد هذا الهلام عملية اتخاذ القرار داخل هيكله الخاص. يمكنه التعلم من خلال الفعل، وتعديل استجابته بناءً على ما مر به، ثم "إلغاء تعلم" ذلك السلوك عندما يتغير الموقف. يصف الباحثون هذا بأنه نظام "ممرستي" (memristive)، وهو مصطلح مستعار من الإلكترونيات لوصف مكون تعتمد مقاومته على تاريخه. وفي هذه الحالة، تتغير المقاومة الميكانيكية للهلام بناءً على الضوء الذي امتصه. ومن خلال الجمع بين نظام سريع التفاعل ونظام بطيء ومستمر، نجح الفريق في ابتكار مادة يمكنها تخزين المعلومات واستخدامها لتعديل أفعالها المستقبلية. يوفر هذا النهج مساراً جديداً نحو آلات لينة تكيفية يمكنها العمل في بيئات غير متوقعة، وتتعلم من تفاعلاتها وتكيف سلوكها دون الحاجة إلى أنظمة تحكم خارجية معقدة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.