علماء يبتكرون “فانوسا مغناطيسيا” يبدو كائنا نابضا بالحياة

في قفزة جديدة عند حدود الهندسة الحيوية والمواد الذكية، نجح باحثون من جامعة ولاية نورث كارولينا في ابتكار هيكل بوليمري قادر على تغيير شكله بسرعة واستقلالية، وكأنه كائن نابض بالحياة.

البوليمرات هي جزيئات ضخمة تتكون من وحدات صغيرة متكررة، ترتبط معا لتشكل سلاسل طويلة تمنح المادة خواصها الفريدة. وهي الأساس الذي بُني عليه عالم المواد الحديثة، إذ تشمل البلاستيك والمطاط والألياف الصناعية، إلى جانب البوليمرات الطبيعية مثل السليلوز في النباتات، والبروتينات، والحمض النووي في الكائنات الحية.

تمتاز هذه المواد بقدرتها على الجمع بين الخفّة والمرونة والمتانة، كما يمكن تعديل تركيبها الكيميائي لتناسب استخدامات متنوعة في الطب والهندسة والطاقة.

أطلق العلماء اسم "الفانوس المغناطيسي" على هذا الهيكل، وهو مستوحى من الفانوس الصيني التقليدي، لكنه يتحول بين أشكال مختلفة، من كرة إلى كيان دوّار، بلمسة ضغط أو بمجرد تعريضه لمجال مغناطيسي.

هذا الابتكار الذي نُشر مؤخرًا في دورية "نيتشر ماتيريالز" قد يفتح الباب أمام جيل جديد من المواد المورفولوجية القابلة للبرمجة، والتي يمكنها أداء وظائف معقدة دون محركات أو أنظمة إلكترونية.

صفيحة بوليمرية

بدأ المشروع بصفيحة بوليمرية رقيقة قطعت على شكل معين يشبه الماسة، ثم شرحت في المنتصف بخطوط متوازية دقيقة، لتكون شرائط مرنة متصلة بشريطين صلبين من الأعلى والأسفل. وعند ربط أطراف هذين الشريطين، ينغلق الشكل تلقائيا في هيئة فانوس ثلاثي الأبعاد يشبه الزخارف الصينية القديمة.

لكن المفاجأة أن هذا الفانوس ثنائي الاستقرار، أي يمكنه البقاء في وضعين مستقرين من تلقاء نفسه.

ويقول الدكتور جيه يين، أستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية والمشرف على الدراسة في تصريح حصلت الجزيرة نت على نسخة منه: "إذا ضغطت على الفانوس من الأعلى، سيتحول ببطء حتى يصل إلى نقطة فجائية ينقلب عندها إلى شكل يشبه "البلبل الدوّار".

ويضيف: "وعندما ترفعه مرة أخرى، يحرر الطاقة التي خزنها أثناء الضغط ويعود إلى شكله الأصلي بسرعة هائلة". هذه الخاصية الميكانيكية تجعل الفانوس أشبه بنابض ذكي يخزن الطاقة المرنة ويطلقها بحركة دقيقة وقابلة للتكرار.

أشكال متنوعة

لم يتوقف الفريق عند الشكلين الأساسيين، فعبر دمج الضغط مع الالتواء، أو ثني الشرائح العليا والسفلى بطرق مختلفة، تمكن الباحثون من توليد أكثر من 12 شكلا ثلاثي الأبعاد.

بعض هذه الأشكال يمتلك 4 حالات مستقرة يمكن التبديل بينها حسب اتجاه الضغط أو درجة الالتواء، ما يجعل الهيكل أشبه بنظام حيّ متكامل يمكنه "اختيار" شكل استجابته.

ولتحويل التصميم إلى نظام متفاعل بالكامل، أضاف الفريق طبقة مغناطيسية دقيقة إلى قاعدة الفانوس. بهذا أصبح بالإمكان تحريك الشكل وتغييره عن بُعد باستخدام مجال مغناطيسي خارجي.

أظهر الباحثون في التجارب أن هذه الخاصية يمكن أن تخدم عدة تطبيقات مبتكرة، مثل ممسك مغناطيسي مرن يلتقط الأشياء، ومرشح مياه ذكي يُفتح ويُغلق تحت الماء لتنظيم التدفق، وآلية تمدد ذاتي يمكنها فتح أنبوب أو قناة مسدودة عند الحاجة.

يهدف العلماء كذلك إلى تجميع وحدات متعددة لتشكيل شبكات هندسية ثنائية وثلاثية الأبعاد، يمكن استخدامها في الروبوتات اللينة، أو في هياكل قابلة للطيّ والانفتاح ذاتيا في الفضاء والطائرات، أو حتى في الأجهزة الطبية الدقيقة التي تحتاج إلى التمدد والانكماش داخل الجسم.