يعمل فريق من الباحثين من المختبرات الفدرالية السويسرية لعلوم وتكنولوجيا المواد “إمبا” (EMPA) على عضلات مصنوعة من مواد لينة. والآن، ولأول مرة، طوروا طريقة لإنتاج هذه المكونات المعقدة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد.
لا تقتصر العضلات الاصطناعية على تحريك الروبوتات فحسب، بل قد تتمكن يوما ما من دعم الأشخاص في العمل أو أثناء المشي أو استبدال الأنسجة العضلية المصابة. ومع ذلك، فإن تطوير عضلات اصطناعية تُضاهي العضلات الحقيقية يُمثل تحديا تقنيا كبيرا.
لمواكبة نظيراتها البيولوجية، يجب ألا تكون العضلات الاصطناعية قوية فحسب، بل مرنة وناعمة أيضا. تُسمى العضلات الاصطناعية في جوهرها بـ”المحركات”، وهي مكونات تُحوّل النبضات الكهربائية إلى حركة.
تُستخدم هذه المحركات أينما يتحرك شيء ما بضغطة زر، سواء في المنزل أو في محرك السيارة أو في المنشآت الصناعية المتطورة. ومع ذلك، لا تتشابه هذه المكونات الميكانيكية الصلبة مع العضلات كثيرا حتى الآن.
تتكون ما تسمى بالمحركات المرنة العازلة “دي إي إيه” (DEA) من مادتين مختلفتين مصنوعتين من السيليكون: مادة قطب كهربائي موصلة، ومادة عازلة غير موصلة. وتتشابك هذه المواد في طبقات.
يقول الباحث في “إمبا” باتريك دانر “يشبه الأمر تشبيك أصابعك”. عند تطبيق جهد كهربائي على الأقطاب الكهربائية، ينقبض المُشغل كالعضلة. وعند انقطاع الجهد، يعود إلى وضعه الأصلي، وفق تصريحاته التي نقلها موقع يوريك أليرت.
ونشرت دراسة الباحثين في مجلة تقنيات المواد المتقدمة.
يعلم دانر أن طباعة مثل هذا الهيكل بطابعة ثلاثية الأبعاد ليست بالأمر الهين. فرغم اختلاف خصائصهما الكهربائية بشكل كبير، يجب أن تتصرف المادتان اللينتان بشكل متشابه للغاية أثناء عملية الطباعة. يجب ألا تختلطا، بل يجب أن تظلا متماسكتين في المُشغل النهائي.
يجب أن تكون “العضلات” المطبوعة لينة قدر الإمكان حتى يُحدث التحفيز الكهربائي التشوه المطلوب. يُضاف إلى ذلك المتطلبات التي يجب أن تلبيها جميع المواد القابلة للطباعة الثلاثية الأبعاد، حيث يجب أن تسيل تحت الضغط حتى يُمكن إخراجها من فوهة الطابعة.
وبعد ذلك مباشرة، يجب أن تكون لزجة بما يكفي للحفاظ على الشكل المطبوع. يقول دانر “غالبا ما تكون هذه الخصائص متناقضة تماما. إذا حسنت إحداها، تتغير ثلاث خصائص أخرى.. عادة إلى الأسوأ”.
من واقع افتراضي إلى قلب نابض
بالتعاون مع باحثين من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ، نجح دانر ودورينا أوبريس -التي تقود مجموعة أبحاث المواد البوليمرية الوظيفية- في التوفيق بين العديد من هذه الخصائص المتناقضة.
طُور حبران خاصان في “إمبا” وطُبعا في محركات مرنة عاملة باستخدام فوهة طورها الباحثان تازيو بليج ويان فيرمانت من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا. يُعد هذا التعاون جزءا من مشروع “اللمسات الحسية” الواسع النطاق، وهو جزء من المجال الإستراتيجي للتصنيع المتقدم في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا. يهدف المشروع إلى تطوير قفاز يجعل العوالم الافتراضية ملموسة. صُممت العضلات الاصطناعية لمحاكاة مسك الأشياء من خلال المقاومة.
ومع ذلك، هناك تطبيقات محتملة أكثر بكثير للمحركات المرنة. فهي خفيفة الوزن وصامتة، وبفضل عملية الطباعة الثلاثية الأبعاد الجديدة، يمكن تشكيلها حسب الحاجة.
يمكن أن تحل محل المحركات التقليدية في السيارات والآلات والروبوتات. وإذا طُورت بشكل أكبر، فيمكن استخدامها أيضا في التطبيقات الطبية. تعمل دورينا أوبريس وباتريك دانر بالفعل على هذه التقنية. يمكن استخدام طريقتهما الجديدة ليس لطباعة الأشكال المعقدة فقط، بل أيضا الألياف المرنة الطويلة.
تقول دورينا أوبريس “إذا تمكنا من جعلها أرق قليلا، فسنقترب كثيرا من كيفية عمل ألياف العضلات الحقيقية”.
يعتقد الباحث أنه قد يكون من الممكن في المستقبل طباعة قلب كامل من هذه الألياف. ومع ذلك، لا يزال هناك الكثير مما يجب القيام به قبل أن يصبح هذا الحلم حقيقة.
