پژوهشگران دانشگاه کمبریج موفق به توسعه نوعی باتری ژله‌ای شده‌اند که می‌تواند تا ۱۵ برابر طول اولیه خود کشیده شود، بدون آنکه رسانایی الکتریکی خود را از دست بدهد.
به گزارش تکناک،این دستاورد، که نتایج آن در نشریه Science Advances منتشر شده است، می‌تواند زمینه‌ساز پیشرفت‌های چشمگیری در حوزه ایمپلنت‌های پزشکی، دستگاه‌های پایش سلامت و فناوری‌های رباتیک نرم باشد.
این مواد در مدت چند ساعت پس از آسیب‌دیدگی خود را ترمیم می‌کنند و با داشتن ویژگی‌هایی مشابه بافت‌های انسانی، می‌توانند تحولی در ساخت ایمپلنت‌های پزشکی ایجاد کنند، چراکه احتمال پس‌زده شدن آنها توسط بدن بسیار کمتر است.
این هیدروژل‌ها، که از عملکرد مارماهی‌های برقی الهام گرفته‌اند، می‌توانند مانند یک باتری انرژی تولید کنند (حدود یک‌دهم ولتاژ یک باتری AA) و حتی در کشیدگی ۵۰ درصدی، عملکرد پایدار پنج برابر بهتر از نمونه‌های قبلی از خود نشان می‌دهند.
نسل آینده دستگاه‌های پزشکی نه‌تنها با بدن انسان تعامل خواهند داشت، بلکه همراه با آن حرکت کرده و تغییر شکل خواهند داد. پژوهشگران دانشگاه کمبریج موفق به طراحی باتری‌های ژله‌ای شده‌اند که علاوه بر انعطاف‌پذیری بالا، قادر به هدایت جریان الکتریسیته بوده و در صورت آسیب‌دیدگی، خود را ترمیم می‌کنند. این پیشرفت می‌تواند زمینه‌ساز تحولاتی اساسی در حوزه‌هایی همچون ایمپلنت‌های مغزی و دستگاه‌های پایش سلامت پوشیدنی شود.
برخلاف سامانه‌های الکترونیکی متداول که به اجزای فلزی و سیم‌های سخت متکی هستند، این مواد جدید ساختاری عمدتاً مبتنی بر آب دارند و بدون کاهش رسانایی الکتریکی، می‌توانند تا ۱۵ برابر اندازه اولیه خود کشیده شوند.
استیون اونیل، نویسنده اصلی مقاله از دپارتمان شیمی یوسف حامد دانشگاه کمبریج، در این باره می‌گوید:
«ترکیب هم‌زمان دو ویژگی کشسانی بالا و رسانایی قوی، امری دشوار است، چراکه این دو خاصیت معمولاً در تضاد با یکدیگر قرار دارند. در اغلب موارد، رسانایی الکتریکی با افزایش کشیدگی یک ماده کاهش می‌یابد.»
تیم تحقیقاتی دانشگاه کمبریج برای حل این چالش، از هیدروژل‌هایی بهره گرفته است که متشکل از شبکه‌های سه‌بعدی پلیمرها با بیش از ۶۰ درصد آب هستند. این هیدروژل‌ها مشابه سامانه‌های زیستی بدن انسان، به‌جای الکترون، از یون‌ها برای انتقال جریان الکتریکی استفاده می‌کنند.
دکتر جید مک‌کیون، یکی از پژوهشگران این مطالعه، می‌گوید: «هیدروژل‌ها معمولاً از پلیمرهای خنثی ساخته می‌شوند، اما در صورتی که به آنها بار الکتریکی داده شود، رسانا خواهند شد. همچنین با تنظیم ترکیب نمکی هر ژل، می‌توان آنها را به یکدیگر متصل کرده و در چندین لایه روی هم قرار داد تا پتانسیل انرژی بیشتری تولید شود.»
ویژگی‌های منحصربه‌فرد این مواد ناشی از ساختار مولکولی آن‌هاست. پژوهشگران با استفاده از مولکول‌های خاصی به نام کاکوربیتوریل، که همچون قفل‌های مولکولی عمل می‌کنند، موفق به اتصال لایه‌های مختلف ماده به یکدیگر شده‌اند. این پیوندها قادر به شکسته شدن و بازسازی مجدد هستند، در نتیجه ماده می‌تواند کشیده، فشرده و حتی خود را ترمیم کند.
این مواد از قابلیت خودترمیمی چشمگیری برخوردارند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که در صورت ایجاد بریدگی، ماده ظرف چند دقیقه ترمیم شده و پس از دو ساعت، ۹۰ درصد از خاصیت کشسانی اولیه خود را بازیابی می‌کند. پژوهشگران این ویژگی را با برش نمونه‌ها و بررسی روند پیوند مجدد آنها زیر میکروسکوپ فلورسانس تأیید کرده‌اند.
محققان نمونه اولیه‌ای از یک منبع انرژی نرم و کشسان را با الهام از شیوه عملکرد مارماهی‌های الکتریکی، که از سلول‌های خاصی به نام الکتروسیت برای تولید جریان الکتریکی استفاده می‌کنند، طراحی کرده‌اند. آنها با روی هم قرار دادن لایه‌های مختلف از هیدروژل‌های رسانا، دستگاهی ساختند که از طریق اختلاف غلظت یون‌ها،فرایندی مشابه با عملکرد سامانه‌های زیستی مارماهی‌های الکتریکی، انرژی الکتریکی تولید می‌کند.
این دستگاه قادر به تولید ۱۱۵ تا ۱۲۵ میلی‌ولت (تقریباً یک‌دهم ولتاژ یک باتری AA) است و با اتصال دو سلول به‌صورت سری، میزان ولتاژ خروجی آن به حدود ۲۴۸ میلی‌ولت افزایش می‌یابد. نکته قابل‌توجه این است که این دستگاه حتی در صورت کشیدگی تا ۵۰ درصد، عملکردی پایدار دارد،میزانی که با کشسانی طبیعی پوست انسان برابری می‌کند. در مقابل، نمونه‌های پیشین در کشیدگی‌های بیش از ۱۰ درصد دچار افت عملکرد می‌شدند.
پروفسور شرمن، از محققان این پروژه، توضیح می‌دهد:
«ما می‌توانیم ویژگی‌های مکانیکی هیدروژل‌ها را به گونه‌ای تنظیم کنیم که کاملاً با خواص بافت‌های انسانی سازگار باشند. از آنجا که این مواد فاقد اجزای سخت مانند فلز هستند، احتمال پس‌زده شدن آنها توسط بدن یا ایجاد بافت اسکار به‌مراتب کمتر است.»
کاربردهای بالقوه این فناوری تنها به حوزه پزشکی محدود نمی‌شود، بلکه می‌تواند زمینه‌ساز پیشرفت‌های قابل‌توجهی در رباتیک نرم شود،شاخه‌ای از فناوری که به طراحی سامانه‌هایی با قابلیت تعامل ایمن با انسان و جابجایی اشیای حساس اختصاص دارد. ترکیب انعطاف‌پذیری، رسانایی الکتریکی و دوام مکانیکی در این مواد، امکان تولید ربات‌هایی را فراهم می‌کند که به شکلی طبیعی‌تر حرکت کرده و بهتر با محیط اطراف خود سازگار شوند.
این مواد از نظر دوام نیز عملکرد چشمگیری دارند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که آنها می‌توانند بیش از ۹۰ درصد فشرده شوند بدون اینکه شکل اولیه خود را به‌طور دائم از دست بدهند و ظرف ۳۰ ثانیه به حالت اولیه بازگردند. هرچند در برخی نمونه‌ها، بازگشت کامل به حالت اولیه با تأخیر جزئی همراه است. این سطح از مقاومت مکانیکی، همراه با قابلیت خودترمیمی، نشان می‌دهد که این مواد می‌توانند در بسیاری از کاربردها، دوام بیشتری نسبت به اجزای الکترونیکی رایج داشته باشند.
