الإنتاج الضخم للروبوتات بحجم الخلية

اكتشف الباحثون طريقة لإنتاج روبوتات صغيرة جدًا بحجم الخلية، وهي طريقة يمكن استخدامها للمراقبة الصناعية أو الطبية الحيوية

يمكن إنتاج روبوتات صغيرة الحجم، لا يتجاوز حجمها حجم خلية بشرية، بكميات كبيرة باستخدام طريقة جديدة طورها باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. وستكون هذه الأجهزة المجهرية، التي يسميها أعضاء الفريق البحثي "syncells" (الخلايا الاصطناعية)، قادرة في نهاية عملية التطوير على مراقبة الظروف الموجودة داخل خط أنابيب النفط أو النفط، أو حتى البحث عن الأمراض وتحديد أماكنها. أثناء تحركه في مجرى الدم. يكمن مفتاح صنع مثل هذه الأجهزة الصغيرة كجزء من الإنتاج الضخم في طريقة طورها الباحثون للتحكم في عملية التكسير الطبيعية للمواد الهشة بسمك ذرة واحدة بحيث تتشكل جيوب ذات حجم وشكل يمكن التنبؤ به داخلها. وتمكن الباحثون داخل هذه الجيوب من زرع دوائر إلكترونية ومواد أخرى قادرة على جمع المعلومات وتسجيلها وبثها. تم وصف العملية المبتكرة، المعروفة باسم "الثقب التلقائي"، في مقال نشر منذ فترة طويلة في المجلة العلمية المرموقة Nature Materials، للبروفيسور مايكل سترانو.

ويستخدم النظام تكوينًا ثنائي الأبعاد لشبكة من ذرات الكربون تسمى الجرافين، وهي المادة التي تشكل الهيكل الخارجي للخلايا الاصطناعية الصغيرة. يتم وضع طبقة واحدة من المادة على السطح، ثم يتم دمج نقاط صغيرة من مادة البوليمر، التي تحتوي على المكونات الإلكترونية للأجهزة، فيه بواسطة نسخة متقدمة من جهاز من نوع طابعة الحقن. في الخطوة التالية، يتم وضع طبقة أخرى من الجرافين فوق السطح الأول الذي يحتوي بالفعل على المكونات الإلكترونية.
يتخيل الناس مادة الجرافين، وهي مادة رقيقة للغاية وقوية جدًا، كسطح مرن، لكنها في الواقع مادة هشة تمامًا، كما يوضح الباحث الرئيسي. ومع ذلك، بدلاً من التعامل مع هذه الهشاشة كمشكلة، وجد فريق البحث طريقة للاستفادة من هذه الخاصية. يوضح الباحث الرئيسي: "لقد اكتشفنا أنه يمكن استغلال هذه الهشاشة". وتتحكم الطريقة الجديدة في عملية التكسير، فبدلاً من الحصول على أجزاء عشوائية من المادة، تشبه شظايا الزجاج المكسور، يتم الحصول على قطع ذات أحجام وأشكال محددة.

يوضح الباحث: "لقد اكتشفنا أنه يمكننا ضخ مجال هجين يؤدي إلى توجيه عملية التكسير، ومن ثم يمكن استخدام هذه الآلية للتحكم في جودة المادة المنتجة".

عندما يتم وضع الطبقة العليا من الجرافين فوق مجموعة نقاط البوليمر، والتي تشكل أشكال أعمدة مستديرة، فإن الأماكن التي كان فيها غطاء الجرافين فوق الحواف المستديرة للأعمدة تخلق مسارًا للانتقال العالي في المادة. "تخيل مفرش المائدة الذي تم وضعه ببطء على سطح طاولة مستديرة. "يمكن للمرء أن يتخيل بسهولة تشكيل الانتقال الدائري نحو حواف الطاولة، وهذا مشابه جدًا لما يحدث عندما يتم وضع ورقة مسطحة من الجرافين فوق أعمدة البوليمر المطبوعة هذه"، يوضح أحد الباحثين. ونتيجة لذلك، تتركز الأجزاء بالضبط على طول هذا المخطط. وفي الخطوة التالية، يحدث شيء مذهل: ينكسر الجرافين تمامًا، لكن الفواصل تكون موجهة على طول محيط الأعمدة." والنتيجة هي قطعة مستديرة من الجرافين تبدو وكأنها تم إنشاؤها بواسطة لكمة مجهرية. نظرًا لوجود طبقتين من الجرافين، أعلى وأسفل أعمدة البوليمر، فإن القرصين اللذين تم تشكيلهما يلتصقان ببعضهما البعض عند نهايتيهما، على غرار بيتا صغير، مع البوليمر المحاصر بالداخل. "والميزة هنا هي أن كل شيء يتم إنشاؤه في خطوة واحدة، وهذا على عكس العديد من الخطوات المعقدة الأخرى التي يتم تنفيذها في غرفة نظيفة كجزء من العمليات الأخرى المصممة لإنشاء أجهزة روبوتية مجهرية"، يشير الباحث. وأظهر الباحثون أن المواد الأخرى ثنائية الأبعاد، مثل ثاني كبريتيد الموليبدينوم أو نيتريد البورون السداسي، تعمل أيضًا بنفس الطريقة.

هذه الأجسام الصغيرة، التي يتراوح حجمها من حجم خلية حمراء بشرية، يبلغ طولها عشرة ميكرومترات، إلى عشرة أضعاف هذا الحجم، "تبدأ في الشكل والتصرف تمامًا مثل الخلية البيولوجية الحية. في الواقع، إذا وضعناها تحت المجهر، يمكننا إقناع معظم الناس بأنها في الحقيقة بنية خلية".

يعتمد هذا البحث على بحث سابق أجرته مجموعة سترانو، حيث تمكن فريق الباحثين من تطوير خلايا اصطناعية قادرة على جمع معلومات حول الكيمياء أو غيرها من خصائص بيئتها، باستخدام أجهزة الكشف على سطحها، وتكون قادرة على تخزين المعلومات بحيث يمكن استرجاعها لاحقا ; على سبيل المثال - حقن مجموعة من هذه الجزيئات في أحد طرفي خط الأنابيب وجمعها في الطرف الآخر من الخط من أجل جمع البيانات المتعلقة بالظروف الموجودة داخل خط الأنابيب.
وإلى جانب الاستخدامات المحتملة لهذه الخلايا الاصطناعية في إطار المراقبة الصناعية أو الطبية الحيوية، فإن طريقة تحضير هذه الأجهزة هي بحد ذاتها اختراع جديد ذو إمكانيات متعددة، بحسب الباحثين. "هذا الإجراء العام لاستخدام الكسور الموجهة كطريقة تصنيع يمكن توسيعه ليشمل العديد من التطبيقات الأخرى." سيكون من الممكن في الواقع استخدام هذه الطريقة لأي نوع من المواد ثنائية الأبعاد، عندما تتاح للباحثين الفرصة لتخصيص هذه الأسطح أحادية الذرة لأي شكل وبنية وحجم يحتاجونه في مجالات أخرى.

ويوضح الباحث أن الطريقة الجديدة: "هي إحدى الطرق الوحيدة المتاحة اليوم للإنتاج المستقل للمكونات الإلكترونية الدقيقة المتكاملة على نطاق تجاري" والتي قد تعمل كأجهزة مستقلة. واعتمادًا على نوع المكونات الإلكترونية الموجودة بداخلها، يمكن للأجهزة توفير إمكانيات الحركة والكشف عن المواد الكيميائية أو غيرها من الخصائص، وحتى تخزين الذاكرة.

ولتوضيح تطبيقات هذه الطريقة المبتكرة، قام فريق البحث بحفر الحروف MIT على مجموعة ذاكرة الخلايا الاصطناعية، التي تخزن المعلومات كمستويات متغيرة من التوصيل الكهربائي. وفي الخطوة التالية، يمكن "قراءة" هذه المعلومات بمساعدة جهاز اختبار كهربائي، وهي حقيقة تثبت أن المادة يمكن أن تعمل كنوع من الذاكرة الإلكترونية حيث يمكن كتابة البيانات وقراءتها وحذفها. سيكون الجهاز قادرًا على حفظ البيانات دون استهلاك الكهرباء، وهو ما سيسمح بجمع المعلومات في أي وقت لاحقًا. وأثبت الباحثون أن الجزيئات تكون مستقرة لمدة عدة أشهر، حتى لو طفت في الماء، وهو مذيب عادة ما يكون ضارًا بالمكونات الإلكترونية. يقول الباحث: "أعتقد أن طريقتنا توفر أداة جديدة تمامًا للصناعات التحويلية الصغيرة والمتناهية الصغر".

ملخص المقال

أخبار الدراسة

صورة توضح الدوائر الموجودة على ورقة الجرافين وهي تنفصل عن بعضها البعض بسبب الضغط. [مجاملة: فيليس فرانكل]