TacTech – مجله علم و فناوری

نویسنده: هستی

  • ابداع ابزاری برای ویرایش دقیق میلیونها قطعه دی ان ای

    ژنوم انسان حدود سه میلیارد جفت باز را در هر سلول جای می‌دهد. اگرچه ابزارهایی مانند کریسپر، ویرایش ژن‌های منفرد و بازهای اسید نوکلئیک منفرد را متحول کرده‌اند، اما محققان دریافته‌اند که تغییر دقیق بخش‌های بزرگ‌تر دی ان ای شامل هزاران یا میلیون‌ها باز، بسیار دشوار است.

    اکنون، تیمی از دانشمندان چینی به رهبری گائو کایشیا، محقق اصلی موسسه ژنتیک و زیست‌شناسی تکاملی آکادمی علوم چین، با ایجاد ابزاری که می‌تواند میلیون‌ها جفت باز دی ان ای (واحدهای بنیادی کد حیات) را به طور دقیق دستکاری کند، بر یک چالش چند دهه‌ای در مهندسی ژنتیک غلبه کرده‌اند.

    پروفسور یین هائو، متخصص ویرایش ژن در موسسه تحقیقات پزشکی دانشگاه ووهان، که بخشی از این تحقیق نبود، این پیشرفت را پیشرفتی بسیار مهم توصیف کرده است. او در گفتگو با روزنامه ساوت چاینا مورنینگ پست (SCMP) افزود که این توسعه می‌تواند زمینه‌ساز پیشرفت‌های تحول‌آفرین در زیست‌پزشکی و کشاورزی باشد.

    جهش بزرگ در ویرایش ژنوم گیاهان با سیستم‌های PCE

    دانشمندان به عنوان بخشی از مطالعه خود، یک روش ویرایش ژن ده ساله را بهبود بخشیدند و استفاده از آن را بسیار آسان‌تر و به طور قابل توجهی کارآمدتر کردند. این مقاله که در مجله معتبر Cell منتشر شده است، توضیح می‌دهد که چگونه سیستم‌های جدید مهندسی کروموزوم قابل برنامه‌ریزی (PCE) می‌توانند قطعات بزرگ دی ان ای ، شامل میلیون‌ها باز، را در موجودات عالی‌تر، به ویژه گیاهان، به طور دقیق اصلاح کنند.

    این پیشرفت می‌تواند تحقیقات در زمینه‌های با رشد سریع مانند کشت بذر کشاورزی و زیست‌شناسی مصنوعی را تغییر شکل دهد. شعبه پکن آکادمی علوم چین اظهار داشت که با امکان دستکاری تنوع ساختاری ژنومی، این فناوری راه‌های جدیدی را برای بهبود صفات محصولات زراعی و درمان بیماری‌های ژنتیکی باز خواهد کرد. SCMP گزارش داد که این فناوری همچنین ممکن است پیشرفت به سمت کروموزوم‌های مصنوعی را که پتانسیل گسترده‌ای برای کاربردهای نسل بعدی در زیست‌شناسی مصنوعی دارند، سرعت بخشد.

    پروفسور یین توضیح داد که این سفر با Cre-Lox، یک آنزیم کلیدی در زیست‌پزشکی که به طور گسترده برای درج، معکوس کردن یا جایگزینی بخش‌های بزرگ دی ان ای و انجام سایر ویرایش‌های ژنتیکی استفاده می‌شود، آغاز شد. با این حال، از زمان کشف آن در دهه 1980، محدودیت‌های Cre-Lox محققان را دلسرد کرده است. با افزایش اندازه قطعه دی ان ای مورد نظر، کارایی آن به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و آنزیم اغلب “زخم‌هایی” از خود به جا می‌گذارد که کار ژنتیکی بیشتر را پیچیده می‌کند.

    دی ان ای

    پیشرفت‌ها در ویرایش ژنوم نویدبخش تغییرات دائمی‌تر دی ان ای است

    این دانشمند ساکن ووهان خاطرنشان کرد که از آنجا که توالی‌های دی ان ای ویرایش‌شده قابل معکوس شدن هستند، این تغییرات اغلب علی‌رغم تلاش‌های گسترده برای دستیابی به اصلاحات ژنتیکی خاص، موقتی هستند.

    این جایی است که گائو و تیمش وارد عمل شدند. آنها با تمرکز بر فناوری‌های ویرایش ژنوم، به‌ویژه در کشاورزی، استراتژی‌های ویرایش را برای غلبه بر این چالش‌ها، مجدداً طراحی و بهینه‌سازی کردند و در نتیجه روش‌های جدیدی ایجاد کردند که به‌طور قابل‌توجهی این حوزه را پیش می‌برد. این تکنیک جدید PCE، دستکاری دقیق قطعات دی ان ای را با کارایی بیش از ۳.۵ برابر ویرایشگر آنزیم اصلی ارائه می‌دهد، در حالی که جای زخم را از بین می‌برد و خطر معکوس شدن را به حداقل می‌رساند.

    در حالی که دانشمندان پیش از این برای یافتن تنها یک دانه با ویژگی‌های مورد نظر، نیاز به ویرایش ۱۰۰۰ دانه داشتند، این ابزار پیشرفته اکنون این تعداد را به تنها ۱۰۰ دانه کاهش می‌دهد و حجم کار محققان را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. علاوه بر این، انتظار می‌رود که سیستم‌های PCE در نهایت جایگزین سیستم‌های موجود Cre-Lox در آزمایشگاه‌های سراسر جهان شوند و کارایی بیشتری را هم در تحقیقات پزشکی و هم در مهندسی کشاورزی به ارمغان بیاورند.

  • با خون جوان و تازه می توان از پیری پوست جلوگیری کرد

    یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که افسانه مربوط به خون جوان ممکن است در واقع درست باشد: خون جوان، به ویژه مشتق شده از سلول‌های مغز استخوان، می‌تواند پوست پیر را جوان کند.

    این تحقیق نشان می‌دهد که خون جوان ممکن است حاوی اجزای ضروری مورد نیاز برای انقلابی در درمان‌های ضد پیری باشد. با این حال، توجه به این نکته ضروری است که وجود سلول‌های مغز استخوان برای دستیابی به این نتایج مطلوب بسیار مهم است.

    این تحقیق که توسط شرکت مراقبت از پوست Beiersdorf AG، که به خاطر برندهایی مانند NIVEA و Eucerin شناخته می‌شود، انجام شده است، به دنبال پر کردن شکاف بین یافته‌های مطالعات قبلی پارابیوز هتروکرونیک و تقاضای روزافزون برای راه‌حل‌های ضد پیری است.

    این مطالعه بیان می‌کند که پارابیوز هتروکرونیک به یک عمل جراحی اشاره دارد که یک حیوان پیر و جوان را از طریق سیستم گردش خون به هم متصل می‌کند. موش‌های پیری که در معرض گردش خون نوجوانان قرار گرفتند، نشانه‌هایی از جوان شدن بافت را نشان دادند.

    با این حال، به گفته نویسندگان این مطالعه، مکانیسم‌های اساسی این پدیده هنوز ناشناخته است. بینش‌های به دست آمده از تحقیقات قبلی هنوز به دانشمندان اجازه نداده است که این یافته‌ها را با موفقیت بر روی انسان اعمال کنند – تاکنون.

    پتانسیل این تحقیق می‌تواند فراتر از یک تحقیق پیشگامانه باشد. زیرا پیش‌بینی می‌شود که ضد پیری تا سال ۲۰۳۲ به طور قابل توجهی به یک صنعت ۳۸۱.۲ میلیارد دلاری تبدیل شود.

    عصر جدیدی از ضد پیری؟

    در این مطالعه، تیمی از شرکت Beiersdorf AG توضیح داد که آنها پوست انسان را «از طریق عوامل سیستمیک با استفاده از یک سیستم میکروفیزیولوژیکی [MPS] شامل یک مدل سه‌بعدی پوست و یک مدل سه‌بعدی مغز استخوان» جوان‌سازی کرده‌اند.

    نویسندگان این مطالعه ادامه دادند: MPS که «همچنین به عنوان پلتفرم‌های اندام روی تراشه شناخته می‌شود، روشی نوآورانه برای مطالعه فرآیندهای بیولوژیکی انسان ارائه می‌دهد». آنها از آن برای ترجمه آزمایش‌های پارابیوز هتروکرونیک به یک سیستم کشت سلولی آزمایشگاهی استفاده کردند تا دو جنبه از این تحقیق را بررسی کنند: پیری پوست انسان و جوان‌سازی.

    این سیستم شامل دو ارگانوئید انسانی سه‌بعدی بود: یک مدل پوست با ضخامت کامل و یک مدل مغز استخوان، از جمله سلول‌های بنیادی که سلول‌های خونی را می‌سازند. آنها با هدف درک مکانیسم‌های مولکولی پشت پیری، سرم خون افراد جوان (زیر 30 سال) و مسن (بالای 60 سال) را در این سیستم به گردش درآوردند تا اثر آن را مشاهده کنند.

    خون جوان

    آنها با موفقیت اثر ضد پیری را که محققان در مطالعات حیوانی ممکن دیده بودند، بازتولید کردند. نویسندگان خاطرنشان کردند: “جالب اینجاست که این اثر فقط در حضور سلول‌های مشتق از مغز استخوان قابل مشاهده بود.”

    این تحقیق توضیح داد که «سرم جوان، سلول‌های مغز استخوان را به ترشح عوامل جوان‌کننده تحریک می‌کند.»

    آنها با استفاده از مدل مغز استخوان، ۵۵ پروتئین جوان‌کننده سیستمیک بالقوه تولید شده توسط سلول‌های مشتق از مغز استخوان را شناسایی کردند. هفت مورد از این پروتئین‌ها به محققان اجازه داد تا اثر جوان‌کننده‌ای بر سلول‌های پوست انسان ایجاد کنند.

    آنها «افزایش تکثیر سلولی، کاهش سن بیولوژیکی و بهبود عملکرد میتوکندری (تولید انرژی) در سلول‌های مغز استخوان» را مشاهده کردند.

    محصولات مراقبت از پوست جدید با خون جوان و تازه؟

    این یک داستان باستانی است: خون می‌تواند به عنوان ماده‌ای که در رگ‌های انسان جریان دارد، زندگی را احیا کند. داستان‌هایی در مورد خون‌آشام‌هایی که خون جوان را برای حفظ درخشش جوانی خود می‌نوشند و تمدن‌های باستانی که خون را با داشتن قدرت‌های ویژه مرتبط می‌دانند، مدت‌هاست که در گردش است.

    حتی پلاسمای غنی از پلاکت یا PRP، یک تکنیک آرایشی مدرن برای استفاده از خون بیمار برای تحریک کلاژن و تجدید سلول، نشان می‌دهد که خون ممکن است پیشرفت چشمگیری در ضد پیری داشته باشد. تحقیقات بیشتر ضروری است، اما تحقیقات Beiersdorf AG به پتانسیل وجود دسته جدیدی از مواد تشکیل دهنده در محصولات ضد پیری موضعی اشاره دارد: پروتئین‌های مغز استخوان جوان.

  • دانشمندان پلاستیک‌های خود ترمیم شونده ساختند که از فولاد هم قوی‌تر اند

    دانشمندان در ایالات متحده یک کامپوزیت پلاستیکی فیبر کربنی طراحی کرده‌اند که نه تنها مانند پوست خود را ترمیم می‌کند، بلکه شکل اولیه خود را در اثر گرما بازیابی می‌کند. این پلاستیک‌ها از نظر استحکام از فولاد نیز بهتر عمل می‌کنند.

    این ماده قابل بازیافت جدید، یک کامپوزیت پلاستیکی فیبر کربنی پیشرفته به نام کوپلی‌استر ترموست آروماتیک (ATSP)، توسط محققان دانشگاه تگزاس A&M و دانشگاه تولسا توسعه داده شده است.

    این تحقیق که توسط وزارت دفاع ایالات متحده و به رهبری دکتر محمد نراقی، مدیر آزمایشگاه مواد نانوساختار و استاد مهندسی هوافضا در تگزاس A&M، تأمین مالی شده است، راه را برای کاربردهای متحول‌کننده در صنایع دفاعی، هوافضا و خودروسازی هموار می‌کند.

    نراقی گفت: “آنچه واقعاً هیجان‌انگیز است این است که این ماده نه تنها فوق‌العاده بادوام است، بلکه تطبیق‌پذیر نیز هست. از ترمیم فوری در هواپیماهای آسیب‌دیده گرفته تا افزایش ایمنی مسافران در وسایل نقلیه، این خواص آن را برای مواد آینده و نوآوری‌های طراحی فوق‌العاده ارزشمند می‌کند.”

    یک راهکار خود ترمیم شونده

    شیمی تبادل پیوند منحصر به فرد ATSP به اجزا این امکان را می‌دهد که ترک‌ها و تغییر شکل‌ها را تنها با اعمال گرما ترمیم کنند و در نتیجه آنها را به استحکام تقریباً اولیه بازگردانند یا حتی بهبود بخشند.

    به گفته نراقی، تنش شدید و دمای بالا می‌تواند منجر به آسیب‌های خطرناک مواد در کاربردهای هوافضا شود. هنگامی که این آسیب به بخش مهمی از هواپیما آسیب می‌رساند، خدمه می‌توانند از خود ترمیمی بر اساس تقاضا برای بازیابی عملکرد آن استفاده کنند.

    این فناوری همچنین نویدبخش بهبود طراحی ایمنی در خودروها است. طبق گزارش‌ها، این فناوری می‌تواند شکل خودرو را پس از تصادف بازیابی کند و مهمتر از آن، با محافظت از مسافران، ایمنی را تا حد زیادی بهبود بخشد. این ماده قابل بازیافت است و جایگزین پایدارتری برای پلاستیک‌های سنتی است. شیمی آن در طول چرخه‌های تغییر شکل چندگانه پایدار می‌ماند و آن را به کاندیدای قوی برای کاهش ضایعات بدون به خطر انداختن قابلیت اطمینان تبدیل می‌کند.

    نراقی توضیح داد: “ATSPها دسته‌ای نوظهور از ویتریمرها هستند که بهترین ویژگی‌های پلاستیک‌های سنتی را ترکیب می‌کنند.” و افزود که آنها انعطاف‌پذیری ترموپلاستیک را با پایداری ترموست ترکیب می‌کنند. “بنابراین، وقتی با الیاف کربن قوی ترکیب می‌شود، ماده‌ای به دست می‌آید که چندین برابر قوی‌تر از فولاد و در عین حال سبک‌تر از آلومینیوم است.”

    ویتریمرها، دسته‌ای از پلاستیک‌ها، وقتی با الیاف ناپیوسته تقویت می‌شوند، می‌توانند بارها تغییر شکل داده، خرد شوند و بدون تخریب ساختار شیمیایی خود، به اشکال جدید قالب‌گیری شوند.

    پلاستیک‌ها

    آزمایش آب

    برای بررسی قابلیت‌های خودترمیمی و تغییر شکل ATSP، محققان خزش چرخه‌ای را با کشش و رهاسازی مکرر ماده و در عین حال اندازه‌گیری نحوه ذخیره و آزادسازی انرژی کرنشی آن آزمایش کردند.

    با استفاده از بارگذاری چرخه‌ای، آنها دو دمای بحرانی را شناسایی کردند، اولین دما دمای انتقال شیشه‌ای است که در آن زنجیره‌های پلیمری آزادانه حرکت می‌کنند. دومین دما دمای شیشه‌ای شدن است که در آن پیوندها به اندازه کافی فعال می‌شوند تا امکان ترمیم، تغییر شکل و بازیابی را فراهم کنند.

    در طول یک آزمایش، آنها کامپوزیت را تا حدود ۳۲۰ درجه فارنهایت (۱۶۰ درجه سانتیگراد) گرم کردند تا بازیابی شکل را آغاز کنند. نتایج نشان داد که نمونه‌های ATSP صدها چرخه تنش و گرمایش را بدون شکست تحمل کردند و در طول ترمیم بادوام‌تر شدند. در آزمایش دیگری، آنها نمونه‌های آسیب‌دیده را پس از آزمایش فشار در معرض دمای ۵۳۶ درجه فارنهایت (۲۸۰ درجه سانتیگراد) قرار دادند. پس از دو چرخه کامل ترمیم آسیب، ماده تقریباً به استحکام کامل خود بازگشت. در چرخه پنجم، به دلیل خستگی مکانیکی ناشی از نقص‌های تولیدی، راندمان ترمیم به حدود ۸۰ درصد کاهش یافت. با این حال، پایداری شیمیایی دست نخورده باقی ماند.

    این استاد دانشگاه در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: “همانطور که پوست می‌تواند کش بیاید، التیام یابد و به شکل اولیه خود بازگردد، این ماده تغییر شکل داد، التیام یافت و شکل اولیه خود را «به خاطر آورد» و از زمانی که ساخته شده بود، بادوام‌تر شد.”

    نراقی معتقد است که این پیشرفت چیزی بیش از یک کلاس جدید از مواد است و طرحی را برای چگونگی ایجاد پلاستیک‌هایی که تکامل یافته و سازگار می‌شوند، توسط علم و مشارکت‌های استراتژیک ارائه می‌دهد. او در پایان گفت: “از طریق آزمون و خطا، همکاری‌ها و مشارکت‌ها است که ما کنجکاوی هیجان‌انگیز را به کاربردهای تأثیرگذار تبدیل می‌کنیم.”

  • اولین میکروسکوپ صوتی جهان، 5 برابر عمیق‌تر مغز را می‌بیند

    برای دهه‌ها، دانشمندان محدودیت‌های میکروسکوپی را برای ثبت نماهای واضح‌تر و عمیق‌تر از مغز کنار زده‌اند. سیستم‌های سنتی مبتنی بر نور می‌توانند قشر مغز را با جزئیات نقشه‌برداری کنند، اما برای رسیدن به مناطق عمیق‌تر مانند هیپوکامپ بدون از دست دادن وضوح، با مشکل مواجه هستند.

    این چالش هنگام تصویربرداری از فعالیت مولکولی درون سلول‌های منفرد، که گامی اساسی در درک عملکرد و بیماری‌های مغز است، حتی بیشتر هم می‌شود. دانشمندان و مهندسان MIT اکنون میکروسکوپی ساخته‌اند که با ترکیب پالس‌های نوری فوق سریع با تشخیص صدا، بر این مانع غلبه می‌کند.

    این سیستم می‌تواند بدون استفاده از رنگ‌ها، مواد شیمیایی یا اصلاح ژنتیکی، در اعماقی بیش از پنج برابر بیشتر از روش‌های موجود تصویربرداری کند. محققان معتقدند که این سیستم می‌تواند تحقیقات علوم اعصاب و کاربردهای جراحی را متحول کند.

    دیدن عمیق‌تر مغز با این میکروسکوپ

    این مطالعه نشان می‌دهد که این سیستم می‌تواند NAD(P)H، مولکولی مرتبط با متابولیسم سلولی و فعالیت عصبی را از طریق نمونه‌های متراکم مغز تشخیص دهد. آزمایش‌ها شامل یک ارگانوئید مغزی مشتق از سلول‌های بنیادی انسان با ضخامت ۱.۱ میلی‌متر و یک برش ۰.۷ میلی‌متری از بافت مغز موش بود.

    دبلیو. دیوید لی، محقق فوق دکترا که این سیستم را طراحی کرده است، گفت: «این زمانی است که ما از طرف دیگر به شیشه برخورد می‌کنیم.» او توضیح داد که نمونه‌ها به اندازه کافی بزرگ نبودند تا محدودیت‌های واقعی این فناوری را تحت فشار قرار دهند.

    این دستگاه از روش تحریک سه فوتونی استفاده می‌کند و انفجارهای نوری فوق کوتاه را با سه برابر طول موج جذب معمول مولکول شلیک می‌کند. این طول موج‌های بلندتر کمتر پراکنده می‌شوند و به عمق بیشتری در بافت نفوذ می‌کنند.

    بیشتر انرژی جذب شده، انبساط حرارتی سریع و میکروسکوپی را در داخل سلول ایجاد می‌کند و امواج صوتی تولید می‌کند.

    یک میکروفون سونوگرافی حساس این امواج را تشخیص می‌دهد و نرم‌افزار آنها را به تصاویر واضح تبدیل می‌کند. این فرآیند تصویربرداری فوتوآکوستیک سه فوتونی نامیده می‌شود.

    میکروسکوپ

    ادغام تکنیک‌های تصویربرداری پیشرفته

    این تیم تحریک سه فوتونی، تشخیص فوتوآکوستیک و تصویربرداری بدون برچسب را در پلتفرمی که آن را «ورودی چند فوتونی و خروجی آکوستیک» می‌نامند، ترکیب کردند. این چیدمان امکان تشخیص دقیق مولکولی را بدون تغییر بافت فراهم می‌کند.

    این میکروسکوپ همچنین می‌تواند مولکول‌های دیگری مانند GCaMP، یک شاخص کلسیم که برای ردیابی فعالیت عصبی استفاده می‌شود، را شناسایی کند. علاوه بر این، تصویربرداری «نسل سوم هارمونیک» ساختارهای سلولی را نقشه‌برداری می‌کند و جزئیات ساختاری و مولکولی را در همان اسکن ارائه می‌دهد.

    تاتسویا اوساکی، نویسنده‌ی همکار از موسسه‌ی پیکاور، گفت که هدف، ترکیب تکنیک‌های پیشرفته در یک فرآیند کارآمد بوده است. این قابلیت می‌تواند به مطالعه‌ی شرایطی که سطح NAD(P)H تغییر می‌کند، از جمله بیماری آلزایمر، سندرم رت و تشنج، کمک کند.

    از آنجایی که بدون برچسب کار می‌کند، می‌تواند با نقشه‌برداری از فعالیت در زمان واقعی، جراحی‌های مغز را نیز هدایت کند. هدف بعدی، آزمایش این سیستم در حیوانات زنده است. در این حالت، هم منبع نور و هم میکروفون باید در یک طرف بافت باشند، نه در طرف‌های مخالف.

    لی انتظار دارد که این سیستم بتواند تا عمق ۲ میلی‌متری در مغزهای زنده تصویربرداری کند. او گفت: “در اصل باید کار کند.” فراتر از علوم اعصاب، این تکنیک ممکن است به سایر اندام‌هایی که متابولیسم در آنها نقش حیاتی دارد، مانند قلب، کبد و کلیه‌ها نیز گسترش یابد. با ارائه روشی برای نظارت بر سلامت سلولی بدون رنگ یا برچسب، این سیستم می‌تواند به یک ابزار تشخیصی ارزشمند در پزشکی تبدیل شود.

    کار قبلی لی از طریق Precision Healing Inc. نشان داد که تصویربرداری NAD(P)H می‌تواند درمان زخم را هدایت کند. اکنون، همین رویکرد ممکن است برای جراحی مغز و اعصاب و تحقیقات مغز ارزشمند باشد. این پروژه توسط مؤسسات ملی بهداشت، مرکز سایمون برای مغز اجتماعی، مؤسسه پیکاور و سایر منابع تأمین مالی شده است.

  • چرا برای فرود، پشتی صندلی‌ها را بالا (عمودی)می‌گذاریم؟

    اگر زیاد سفر هوایی می‌کنید، با این مشکل آشنا هستید: با سرتان که روی بالش گردنی لم داده‌اید، به شدت سعی می‌کنید چرت بزنید که مهماندار به شما می‌گوید وقت آن رسیده که سینی‌هایتان را جمع کنید و صندلی‌هایتان را به حالت عمودی برگردانید. اما چرا؟ از خودتان می‌پرسید. این چقدر می‌تواند تفاوت ایجاد کند؟

    این روزها، صندلی‌های دلتا و بسیاری از شرکت‌های هواپیمایی دیگر فقط دو اینچ به عقب برگشته‌اند، که نسبت به چهار اینچ چند سال پیش کاهش یافته است. با توجه به اینکه عرض متوسط ​​صندلی کلاس اقتصادی به تنها ۱۷ اینچ کاهش یافته است، هر اینچ اضافی برای مسافران مهم است. بنابراین قابل درک است که کمی از اینکه مجبورید درست حرکت کنید، در حالی که خودتان را متقاعد می‌کردید که تقریباً راحت هستید، احساس ناراحتی کنید.

    با این حال، معلوم می‌شود که دلیل خوبی وجود دارد که چرا ما آن چند اینچ گرانبها را برای برخاستن و فرود آمدن فدا می‌کنیم و این ارتباط زیادی با نحوه اندازه‌گیری ایمنی هواپیما دارد.

    جان جی. نانس، تحلیلگر هوانوردی متخصص در سیستم‌های ایمنی، می‌گوید: “در یک تخلیه اضطراری، یک تخلیه واقعی، که در آن کابین پر از دود می‌شود، هیچ عاملی نمی‌تواند سرعت را کاهش دهد. فقط یک نفر و یک مانع، که می‌تواند شامل پشتی صندلی باشد، کافی است و سپس شما شروع به جمع کردن افراد می‌کنید، در حالی که سعی می‌کنید ۱۵۰، ۱۸۰ نفر را از یک لوله آلومینیومی بیرون بیاورید.”

    فقط ۹۰ ثانیه

    از دهه ۱۹۶۰، اداره هوانوردی فدرال ایالات متحده (FAA) حکم داده است که یک هواپیما باید بتواند در ۹۰ ثانیه تخلیه شود تا ایمن تلقی شود. این یک دستور دشوار است، به خصوص با توجه به اینکه مسافران امروزی فضای کمتری برای مانور دارند. با وجود برخی تلاش‌ها برای اصلاح آن، ۹۰ ثانیه همچنان استاندارد طلایی هم برای دولت ایالات متحده و هم برای تولیدکنندگان هواپیما در سراسر جهان است.

    بخشی از اینکه چرا قانون ۹۰ ثانیه برای برخی غیرواقعی به نظر می‌رسد این است که تحت شرایط کاملاً کنترل‌شده آزمایش می‌شود. نانس می‌گوید: “این یک استاندارد مصنوعی است. آنها قبلاً به شوخی آن را «باشگاه ورزشی بوئینگ» می‌نامیدند، زیرا این استاندارد را با افراد بسیار متناسب آزمایش می‌کردند. ما واقعاً انتظار نداریم که در یک تخلیه واقعی ۹۰ ثانیه باشد، اما این چیزی است که می‌توانیم با آن مقایسه کنیم.”

    البته، در یک وضعیت اضطراری واقعی هواپیما، همه سرنشینان قرار نیست ورزشکار مشتاق المپیک باشند. اکثر پروازهای تجاری، کودکان خردسال، مسافران مسن و مسافرانی با مشکلات حرکتی را حمل می‌کنند. در حالی که متغیرهای زیادی وجود دارد که شرکت هواپیمایی نمی‌تواند کنترل کند، تمام تلاش خود را می‌کند تا عوامل را تا حد امکان نزدیک به شرایط آزمایش نگه دارد.

    نانس می‌گوید: “این شامل قرار دادن صندلی‌ها در حالت عمودی و همچنین عدم قرار دادن چیزی است که بتواند پاهای شما را در هم گیر کند. به همین دلیل است که تصور می‌شود مهمانداران پرواز در مورد آن بسیار پرخاشگر هستند.”

    صندلی‌

    نحوه عملکرد مکانیزم صندلی

    تقریباً هر هواپیمای تجاری در جهان از مکانیزم مشابهی استفاده می‌کند تا مطمئن شود وقتی صندلی را به حالت عمودی قرار می‌دهید، به حالت عمودی باقی می‌ماند. نانس توضیح می‌دهد: “این یک قفل مکانیکی نیست، بلکه یک سیستم هیدرولیکی کوچک است.”

    هواپیماهای تجاری از اوایل قرن بیستم، زمانی که صندلی‌ها به معنای واقعی کلمه فقط صندلی‌های حصیری بودند که روی هواپیما فشرده شده بودند، بسیار تکامل یافته‌اند. با این حال، حتی با تغییر سایر قسمت‌های هواپیما، سیستم قفل هیدرولیکی که صندلی شما را در جای خود نگه می‌دارد، تقریباً در هر هواپیما همان سیستمی است که از سال ۱۹۴۷ استفاده می‌شود.

    سیستم Hydrolok توسط شرکت P.L. Porter اختراع شد و همچنان به عنوان یک سیستم رایج در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد، عمدتاً به این دلیل که سال‌ها دوام می‌آورد. طبق گفته سازنده فعلی Crane Aerospace & Electronics، قفل صندلی Hydrolok برای حدود ۲۵۰۰۰۰ چرخه مناسب است. از آنجایی که اکثر هواپیماهای تجاری پس از حدود ۳۰ سال بازنشسته می‌شوند، این قفل‌های صندلی به ندرت نیاز به تعویض دارند.

    محافظت برای خطوط هوایی و مسافران

    بخشی از دلیل اینکه استانداردهای آزمایش ایمنی خطوط هوایی در بیش از نیم قرن تغییر نکرده است، این است که نوعی نگرش وجود دارد که “اگر چیزی خراب نیست، آن را تعمیر نکن”. مطمئناً، می‌توانید آزمایش‌های کنار هم انجام دهید تا ببینید آیا خواباندن صندلی‌ها تفاوت قابل توجهی ایجاد می‌کند یا خیر، اما این کار خطر ایجاد مشکل را به همراه دارد.

    نانس می‌گوید: “این کار با روح و نیت روشی که این موارد برای مدت طولانی آزمایش شده‌اند، در تضاد است. شما به خطرناک‌ترین عبارت در هوانوردی برمی‌گردید و این حس وجود دارد که این “روشی است که ما همیشه انجام داده‌ایم”.”

    برای روشن شدن، احتمال اینکه مسافران نیاز به آزمایش این ویژگی‌های ایمنی برای خودشان داشته باشند، کم است. طبق تحلیلی که توسط تیم داده‌های تلویزیونی هرست انجام شده است، از سال ۱۹۷۰ در مجموع ۸۷ سقوط مرگبار هواپیماهای تجاری با ۱۰ مسافر یا بیشتر در ایالات متحده رخ داده است. با این حال، ایجاد هرگونه تغییر اساسی در استانداردهای آزمایش، تولیدکنندگان هواپیما را در صورت بروز حادثه در معرض خطر جدی قانونی قرار می‌دهد.

    نانس می‌گوید: “هر چیز کوچکی که با آن سر و کار دارید، یک مسئولیت بالقوه عظیم است. اگر اتفاقی بیفتد، وکلای شاکیان سر شما فریاد خواهند زد. بنابراین ایجاد تغییر یا حتی پیشنهاد تغییر، مسئله کوچکی نیست. و به همین دلیل است که تولیدکنندگان سعی می‌کنند با استانداردسازی، تا حد امکان از خطوط هوایی خود محافظت کنند.”

    این بدان معناست که مهم نیست هواپیما در کدام کشور تولید می‌شود، به همان مجموعه آزمایش‌های ایمنی پایبند است. نانس می‌گوید: “وضعیت این است که استانداردهای زیادی توسط سازنده تعیین شده است، بوئینگ برای همه هواپیماهایش، ایرباس برای همه هواپیماهایش، امبرائر و غیره، که به یک استاندارد جهانی تبدیل شده‌اند.” تغییر هر عامل واحد نه تنها شامل به چالش کشیدن FAA، بلکه شامل مقررات دولتی در کشورهای سراسر جهان نیز می‌شود.

    بیایید با آن روبرو شویم – هیچ شرکتی نمی‌خواهد کسی باشد که وقتی ریسک‌ها تا این حد بالاست، استانداردهای ایمنی آزمایش شده و واقعی را دور می‌زند. همین امر در مورد مسافران شخصی نیز صدق می‌کند. شاید بالا کشیدن پشتی صندلی برای فرود آمدن کمی آزاردهنده به نظر برسد، اما شما که نمی‌خواهید کسی باشید که در صورت بروز هرگونه مشکلی، سرعت پرواز را کم می‌کند.

  • فناوری فراصوت باتری‌های ایمپلنت را سریع و بدون جراحی شارژ می‌کند

    اینبار فناوری فراصوت به کمک دنیای سلامت و پزشکی می آید. با افزایش تقاضا برای دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت (ایمپلنت) در سراسر جهان، نگرانی‌ها در مورد قابلیت استفاده طولانی مدت و ایمنی بیمار نیز افزایش می‌یابد. دستگاه‌هایی مانند ضربان‌سازها، محرک‌های عصبی و سیستم‌های دارورسانی به دلیل افزایش جمعیت، بیماری‌های مزمن و آسیب‌های تصادفی، به طور فزاینده‌ای رایج می‌شوند.

    اما با وجود پتانسیل نجات‌بخشی آنها، این ایمپلنت‌ها با یک محدودیت حیاتی همراه هستند. باتری‌ها در نهایت تمام می‌شوند و نیاز به تعویض دارند.

    هر بار که این اتفاق می‌افتد، بیماران باید به اتاق عمل برگردند. این جراحی‌های مکرر خطرات و ناراحتی‌های جدی برای سلامتی ایجاد می‌کنند و شارژ مجدد باتری را به یک مشکل حل نشده حیاتی در این زمینه تبدیل می‌کنند. اکنون، یک تیم تحقیقاتی کره جنوبی ممکن است یک راه حل موفقیت‌آمیز پیدا کرده باشد.

    شارژ سونوگرافی بدون سازش

    پروفسور جینهو چانگ و تیمش در DGIST (موسسه علوم و فناوری دائگو گیونگبوک) یک سیستم شارژ بی‌سیم مبتنی بر سونوگرافی توسعه داده‌اند که می‌تواند باتری‌های دستگاه‌های کاشت را بدون جراحی به طور ایمن و کارآمد شارژ کند.

    با افزایش تقاضا برای دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت در سراسر جهان، نگرانی‌ها در مورد قابلیت استفاده طولانی مدت و ایمنی بیمار آنها نیز افزایش می‌یابد.

    لایه اول امواج فراصوت ورودی را دریافت و به برق تبدیل می‌کند. لایه دوم انرژی فراصوت باقیمانده را که از آن عبور می‌کند، جمع‌آوری می‌کند و انرژی اضافی تولید می‌کند. با ترکیب خروجی‌های هر دو لایه، این سیستم بیش از 20 درصد راندمان بالاتری نسبت به برداشت‌کننده‌های معمولی ارائه می‌دهد.

    این تیم قبل از انتقال به مرحله ساخت، از شبیه‌سازی‌ها برای بهینه‌سازی طراحی برداشت‌کننده استفاده کرد. پس از ساخت، هر دو لایه به صورت الکتریکی متصل شدند تا کل توان خروجی به حداکثر برسد.

    این دستگاه به چگالی توان 497.47 میلی‌وات در هر سانتی‌متر مربع در آب و کل توان خروجی 732.27 میلی‌وات دست یافت که برای شارژ کامل یک باتری 140 میلی‌آمپر ساعتی در 1.7 ساعت کافی است.

    فناوری

    نتایج و عملکرد در دنیای واقعی

    برای ارزیابی عملکرد در شرایط واقعی، محققان دستگاه را با بافت خوک به ضخامت 30 میلی‌متر آزمایش کردند تا بدن انسان را شبیه‌سازی کنند. حتی تحت این محدودیت‌ها، برداشت‌کننده 312.34 میلی‌وات انرژی تولید کرد. برای آزمایش بیشتر این فناوری، تیم چانگ دو آزمایش کلیدی انجام داد.

    در آزمایش اول، آنها یک باتری تجاری ۱۴۰ میلی‌آمپر ساعتی را تنها در ۱ ساعت و ۴۰ دقیقه، با استفاده از یک سیستم زیر آب در فاصله ۳۰ میلی‌متری، به طور کامل شارژ کردند. در آزمایش دوم، با استفاده از بافت خوک با همان ضخامت برای شبیه‌سازی آناتومی انسان، یک باتری ۶۰ میلی‌آمپر ساعتی را در ۱ ساعت و ۲۰ دقیقه شارژ کردند.

    هر دو نتیجه در سطح جهانی در نظر گرفته می‌شوند. توان خروجی به دست آمده بیش از دو برابر سیستم‌های شارژ فراصوت گزارش شده قبلی است.

    پروفسور چانگ گفت: “این تحقیق یک فناوری نوآورانه را ارائه می‌دهد که به طور موثر انرژی فراصوت را که در گذشته به طور کامل مورد استفاده قرار نگرفته است، برای شارژ بی‌سیم دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت جمع‌آوری می‌کند.”

    وی افزود که این تیم قصد دارد این فناوری را با پیشرفت‌های بیشتر تجاری‌سازی کند. “ما قصد داریم با ترکیب این فناوری شارژ بی‌سیم مبتنی بر فراصوت با اجزای نیمه‌هادی با راندمان بالا، سیستمی را که قادر به شارژ کامل در عرض یک ساعت است، تجاری‌سازی کنیم.”

    در صورت موفقیت، این رویکرد می‌تواند نیاز به جراحی‌های مکرر را از بین ببرد. همچنین ممکن است در آینده نزدیک درهایی را به روی الکترونیک قابل کاشت کوچک‌تر، هوشمندتر و بادوام‌تر باز کند. کارشناسان معتقدند در صورت تجاری‌سازی این فناوری، کیفیت زندگی میلیون‌ها بیمار که به ایمپلنت‌های پزشکی وابسته‌اند، دگرگون خواهد شد.

  • تابستان امسال پر از روزهای کوتاه از نظر علمی

    آفتاب فراوان، بستنی و عصرهای ساحل ممکن است شما را به این فکر بیندازد که کاش تابستان هرگز تمام نمی‌شد. متأسفانه، امسال این فصل کمی سریع‌تر از حالت عادی در حال گذر است. در طول ماه‌های ژوئیه و اوت ۲۰۲۵، نوسانات جزئی در چرخش زمین به این معنی است که بسیاری از روزها به طور قابل اندازه‌گیری (هرچند نه به طور قابل توجه) کوتاه‌تر بوده‌اند.

    طبق گزارشات، ۲۲ ژوئیه، حدود ۱.۳۴ میلی‌ثانیه کمتر از ۲۴ ساعت معمول (۸۶۴۰۰ ثانیه، که در آن ثانیه با ساعت اتمی تعریف می‌شود) بود. این آخرین مورد از یک رشته روزهای کمی کوتاه‌شده اخیر است. در ۱۰ ژوئیه، کوتاه‌ترین روز سال ۲۰۲۵ تاکنون، زمین چرخش روزانه خود را ۱.۳۸ میلی‌ثانیه سریع‌تر از حد معمول، طبق داده‌های سرویس بین‌المللی چرخش و سیستم‌های مرجع زمین (IERS) به پایان رساند. در آغاز اوت، چندین روز متوالی بیش از یک میلی‌ثانیه کمتر از ۲۴ ساعت بود.

    پیش‌بینی‌های قبلی پیش‌بینی می‌کردند که برخی از این روزها ممکن است به اندازه‌ای سریع باشند که از زمان شروع زمان‌سنجی اتمی در دهه ۱۹۵۰، رکوردی محسوب شوند. اما برآوردهای اصلاح‌شده نشان می‌دهند که اینطور نیست. رکورد فعلی کوتاه‌ترین روز همچنان ۵ ژوئیه ۲۰۲۴ است که ۱.۶۶ میلی‌ثانیه کمتر از ۸۶۴۰۰ ثانیه بود.

    این تغییر، بخشی از روندی در سال‌های اخیر است که چرخش زمین در حال افزایش است. دانکن اگنیو، متخصص ژئوفیزیک در موسسه اقیانوس‌شناسی اسکریپس در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، می‌گوید: اگرچه ممکن است نگران‌کننده به نظر برسد، اما شتاب آن چیزی نیست که نگران آن باشید. او به مجله پاپیولار ساینس می‌گوید: “این چیزی نیست که متوجه آن شوید.”

    طول روز سیاره ما هرگز راکد نبوده است. اصطکاک جزر و مدی از ماه، ذوب یخچال‌های طبیعی، بادهای جوی و آب و هوا و حرکت هسته مذاب، همگی بر سرعت چرخش زمین به دور محور خود هنگام انجام مدار سالانه خود به دور خورشید تأثیر می‌گذارند. برخی از این نیروها برخلاف یکدیگر عمل می‌کنند و همه در مقیاس‌های زمانی متفاوتی عمل می‌کنند.

    روز

    تغییر چرخش

    در طولانی‌ترین مدت، اثر تجمعی کشش ماه بر زمین، با افزودن اصطکاک به چرخش آن، سرعت چرخش ما را کاهش می‌دهد. حدود ۷۰ میلیون سال پیش، در اواخر کرتاسه، روز یک دایناسور روی زمین حدود ۳۰ دقیقه کوتاه‌تر بوده است، همانطور که با تجزیه و تحلیل دقیق پوسته‌های فسیل شده نرم‌تنان آشکار شد. در میلیون‌ها سال دیگر، انتظار داریم دقایق اضافی به هر چرخه چرخش اضافه شود.

    با توجه به زمان کافی (حدود ۵۰ میلیارد سال)، ماه در نهایت چرخش زمین را به شدت کاهش می‌دهد و با سرعت مدار خود به دور زمین از طریق قفل جزر و مدی مطابقت می‌دهد. در این مرحله، یک روز روی زمین حدود یک ماه طول می‌کشد – معادل یک چرخه قمری. اگرچه احتمالاً هرگز به این نقطه نخواهیم رسید، زیرا پیش‌بینی می‌شود خورشید ما حدود ۵ میلیارد سال دیگر به یک غول سرخ تبدیل شود و مدت‌ها قبل از اینکه چرخش ما متوقف شود، زمین و ماه را به طور کامل در خود فرو ببرد.

    سپس، حرکت هسته زمین وجود دارد که در مقیاس دهه‌ها با آن روند طولانی مدت مقابله می‌کند. هسته مذاب سیاره ما نیز می‌چرخد (هرچند آشفته‌تر از سطح سیاره). این حرکت هسته دلیل و چگونگی وجود میدان مغناطیسی زمین است: سوپ آهن در حال چرخش، جریان‌های الکتریکی ایجاد می‌کند که در مجموع به یک اثر الکترومغناطیسی تبدیل می‌شوند. اما در سال‌های اخیر، هسته کند شده است. آگنو خاطرنشان می‌کند که دانشمندان دقیقاً مطمئن نیستند که چرا. او می‌گوید با وجود این واقعیت که هر ساحل ایالات متحده به مرکز زمین نزدیک‌تر از دیگری است، “ما واقعاً چیز زیادی در مورد هسته نمی‌دانیم.” پیش‌بینی حرکت آن “مانند تلاش برای پیش‌بینی آب و هوا بدون توانایی دیدن چیزی است.”

    با این حال، آنچه مسلم است این است که سطح، هسته و جو زمین یک سیستم فیزیکی بسته را تشکیل می‌دهند. آگنو توضیح می‌دهد که قانون پایستگی تکانه زاویه‌ای به این معنی است که یک سیستم در حال چرخش باید تکانه چرخشی کل خود را حفظ کند، مگر اینکه توسط گشتاور خارجی عمل کند. با کند شدن حرکت هسته، آن سرعت از دست رفته باید توسط بخش دیگری از سیستم جبران شود. بنابراین، برخلاف انتظار، سطح زمین شروع به چرخش سریع‌تر می‌کند. (تصور انتزاعی آن دشوار است، اما اثبات آن به اندازه کافی آسان است.) این الگوی اصلی، بخش عمده‌ای از دلیل کوتاه‌تر شدن روزها در ۵۰ سال گذشته را توضیح می‌دهد.

    روز

    به همین ترتیب، حرکت جو ما نیز حرکت سطح را تعیین می‌کند. جریان‌های جوی مانند جت‌استریم به صورت فصلی تغییر می‌کنند. در تابستان، این بادهای دائمی ضعیف و کند می‌شوند. باز هم، به لطف پایستگی تکانه زاویه‌ای، این حرکت به سطح منتقل می‌شود و باعث افزایش سرعت زمین می‌شود. به همین دلیل است که سال به سال، اوج‌ها و فرودهای فصلی واضح و قابل پیش‌بینی در طول روز زمین وجود دارد.

    کلارک ویلسون، متخصص ژئوفیزیک و ژئودزیست در دانشگاه تگزاس آستین، به مجله پاپیولار ساینس می‌گوید: نوسانات کوچکتر در آب و هوا و سرعت باد جهانی تأثیر بیشتری دارند. همانطور که تغییرات اقلیمی الگوهای آب و هوایی را تغییر می‌دهد و آب را در سراسر جهان توزیع می‌کند، بر چرخش سیاره نیز تأثیر می‌گذارد. سطح زمین به دلیل ذوب شدن کلاهک یخی کمی کندتر از حالت عادی می‌چرخد، اگرچه این اثر برای غلبه بر تأثیر هسته کافی نیست.

    در نهایت، ماه دوباره به صورت دوره‌ای اهمیت پیدا می‌کند، زیرا موقعیت نسبی آن نسبت به زمین در مدار بیضوی خود، میزان اصطکاک اعمال شده را تغییر می‌دهد. دو بار در ماه، ماه مستقیماً در بالای خط استوا قرار می‌گیرد و دو بار در ماه به حداکثر چرخش در شمال یا جنوب خط استوا می‌رسد. به گفته‌ی اگنیو، در این نقاط حداکثری و خارج از مرکز، نیروی جاذبه‌ی آن کاهش می‌یابد و سرعت زمین کمی افزایش می‌یابد.

    اندازه‌گیری‌های کوچک

    اگرچه میلی‌ثانیه‌های تأخیر می‌توانند با گذشت زمان به ثانیه‌های کبیسه تبدیل شوند، اما عموماً زندگی روی زمین را مختل نمی‌کنند. دلیل اینکه چندین نهاد بین‌المللی شیب و چرخش زمین را با دقت رصد و اندازه‌گیری می‌کنند، این است که این اعداد برای سیستم‌های دقیق موقعیت‌یابی جهانی (GPS)، مانند نوعی که ارتش‌ها به آن متکی هستند، اهمیت دارند.

    ویلسون می‌گوید: “علاقه‌ی امروزی به این تغییرات واقعاً برای اهداف ناوبری است.” GPS به ماهواره‌هایی که به دور زمین می‌چرخند بستگی دارد. وقتی سیاره‌ی ما سرعت خود را تغییر می‌دهد (یا شیب محور تغییر می‌کند)، رابطه‌ی بین آن ماهواره‌ها و خودمان نیز تغییر می‌کند. برای مثلث‌بندی مکان‌های تقریباً دقیق روی زمین، دانشمندان باید بدانند که سیاره نسبت به ماهواره‌های GPS در کجا قرار دارد. ویلسون خاطرنشان می‌کند که یک خطای یک میلی‌ثانیه‌ای در سرعت چرخش، به معنای اختلاف حدود ۱.۵ فوتی در موقعیت مکانی خواهد بود.

    آگنیو توضیح می‌دهد که برای پیش‌بینی دقیق سرعت، تا صدم میلی‌ثانیه، IERS و سایر اجرام به اثرات قابل پیش‌بینی مانند موقعیت ماه، جزر و مد و تغییرات جوی فصلی وابسته هستند. ویلسون خاطرنشان می‌کند که آنها همچنین داده‌های آب و هوای جهانی را در نظر می‌گیرند. سپس، وقتی نوبت به اندازه‌گیری واقعی سرعت چرخش می‌رسد، مجموعه‌ای از تلسکوپ‌های رادیویی، حرکت سیاره ما را نسبت به یک چارچوب مرجع آسمانی بسیار دور و از نظر عملکردی ایستا ارزیابی می‌کنند.

    پیش‌بینی‌ها می‌توانند کمی اشتباه باشند، بنابراین ما دقیقاً نمی‌دانیم امروز چقدر سریع گذشت تا زمانی که تمام شود. اما می‌توان حدس زد که روزهای کوتاه‌تر هنوز در راه هستند. این دلیل بیشتری برای استفاده حداکثری از تابستان باقی مانده است.

  • شیشه خود تمیز شونده ای که از میدان های الکتریکی برای از بین بردن گرد و غبار استفاده می کند

    دانشمندان دانشگاه ژجیانگ در شرق چین نوع جدیدی از شیشه خود تمیز شونده را توسعه داده‌اند که از میدان‌های الکتریکی برای حذف گرد و غبار و سایر ذرات از سطح خود استفاده می‌کند – که یک راه حل ساده و پایدار برای یک مشکل رایج ارائه می‌دهد.

    پنجره‌ها، پنل‌های خورشیدی و صفحه نمایش‌ها همگی یک مشکل مشترک دارند: گرد و غبار. گرد و غبار به سرعت جمع می‌شود، نور را مسدود می‌کند، کارایی را کاهش می‌دهد و افراد را مجبور می‌کند برای تمیز کردن آن وقت و هزینه صرف کنند. آلودگی ذرات سطحی بر همه چیز، از پنجره‌های خانگی گرفته تا نمای آسمان‌خراش‌ها و پنل‌های خورشیدی در بیابان‌ها، تأثیر می‌گذارد و تمیز کردن آنها معمولاً نیاز به زمان، تلاش و پول دارد. اما یک رویکرد جدید، شیشه را به سطحی تبدیل می‌کند که می‌تواند خود را تمیز کند – فقط با استفاده از میدان‌های الکتریکی نامرئی.

    محققان در آزمایش‌های خود کشف کردند که ذرات باردار هنگام قرار گرفتن در معرض یک میدان الکتریکی متناوب، به شیوه‌های غیرمنتظره‌ای رفتار می‌کنند. به جای اینکه فقط به پهلو حرکت کنند، برخی از ذرات جهت خود را معکوس می‌کنند یا حتی به طور کامل از سطح می‌پرند.

    شیشه‌هایی که خود را از ذرات آلی و معدنی پاک می‌کنند

    بسیاری از روش‌های فعلی تمیز کردن در شرایط خشک و غبارآلود شکست می‌خورند یا نیاز به نگهداری مداوم دارند. یک رویکرد امیدوارکننده از میدان‌های الکتریکی برای جابجایی ذرات سطحی استفاده می‌کند. فناوری‌هایی مانند صفحات الکترودینامیکی – که حتی در مریخ‌نوردها نیز استفاده می‌شوند – پتانسیل حذف گرد و غبار بدون مایعات یا سایش را نشان می‌دهند.

    با این حال، اثربخشی آنها به دلیل درک ضعیف از نحوه شروع حرکت یا جدا شدن ذرات محدود شده است. بدون مدل‌های فیزیکی واضح، محققان مجبور بوده‌اند طرح‌های بهینه را حدس بزنند و سیستم‌های موجود هنوز با گرد و غبار ریز و پوشش ناهموار دست و پنجه نرم می‌کنند.

    اکنون، با مطالعه چگونگی تأثیر اندازه ذرات و قدرت میدان الکتریکی بر این حرکت، محققان چینی یک شیشه نازک و شفاف – تنها 0.62 میلی‌متر ضخامت – ایجاد کردند که می‌تواند بدون هیچ گونه تلاش دستی، خود را از ذرات آلی و معدنی پاک کند.

    علاوه بر این، شیشه شفاف می‌تواند خود را در عرض چند ثانیه تمیز کند – و تا 98 درصد ذرات را بدون استفاده از آب، مواد شیمیایی یا انرژی زیاد از بین ببرد. این پیشرفت می‌تواند به راه‌حل‌های عملی خود تمیز شونده برای پنل‌های خورشیدی، پنجره‌های ساختمان و سایر سطوحی که نگهداری آنها پرهزینه است، منجر شود.

    شیشه خود تمیز شونده

    شیشه خود تمیز شونده همچنین از ته نشین شدن گرد و غبار جدید جلوگیری می‌کند. شیشه خود تمیز شونده نه تنها گرد و غبار موجود را از بین می‌برد، بلکه به جلوگیری از ته نشین شدن گرد و غبار جدید نیز کمک می‌کند. محققان دریافتند که وقتی میدان الکتریکی روشن است، ذرات باردار موجود در هوا را منحرف می‌کند و سطح را برای مدت طولانی‌تری تمیز نگه می‌دارد.

    این تیم آن را “اثر محافظت از ذرات” نامیده است که تجمع گرد و غبار موجود در هوا را تقریباً 90 درصد کاهش می‌دهد. این امر محافظت مداوم را در طول طوفان‌های شن و هوای غبارآلود فراهم می‌کند. از آنجا که شیشه شفاف است، در مکان‌هایی که نور شفاف مهم است، به خوبی کار می‌کند. این سیستم تنها نور مرئی را به میزان کمی کاهش می‌دهد و بیشتر اتلاف در محدوده مادون قرمز اتفاق می‌افتد.

    این امر، این سیستم را برای پنل‌های خورشیدی، شیشه جلوی خودرو، سقف گلخانه‌ها و پنجره‌های ساختمان‌های بلند – مکان‌هایی که دید واضح و بهره‌وری انرژی ضروری است – ایده‌آل می‌کند. طراحی آن ساده و کاربردی است.

    از مواد رایج استفاده می‌کند و فرآیند تولید آن که شامل حکاکی الکترودها روی یک ورق شیشه‌ای و پوشاندن آنها با یک فیلم محافظ نازک است، به خوبی با روش‌های صنعتی فعلی مطابقت دارد. این بدان معناست که می‌توان آن را به راحتی و در مقیاس بزرگ و بدون نیاز به تجهیزات گران‌قیمت یا تخصصی تولید کرد.

    آینده‌ای روشن شیشه خود تمیز شونده

    همزمان با تکیه جهان بر انرژی خورشیدی و ساخت سازه‌های شیشه‌ای بیشتر، فناوری‌هایی که هزینه نگهداری را کاهش داده و بهره‌وری را بهبود می‌بخشند، چیزی بیش از یک وسیله‌ی رفاهی هستند – آنها ضروری هستند. شیشه خود تمیز شونده که با میدان‌های الکتریکی کار می‌کند، می‌تواند به یک ویژگی استاندارد تبدیل شود و مشکلات گرد و غبار را به راه‌حل‌های روشن تبدیل کند.

  • این پهپادها توپ‌های مشتعل را در جنگل رها می‌کنند تا آتش سوزی‌های جنگلی را کنترل کنند

    اوایل تابستان، در میان هیاهوی آتش‌ بازی و شعله‌افکن‌های پروپان، صاعقه‌ای به ظاهر معمولی به جایی در پارک ملی گرند کنیون برخورد کرد. جرقه حاصل، پوشش گیاهی خشک اطراف را مشتعل کرد و بادهای شدید به سرعت شعله‌ها را تا کیلومترها گسترش دادند. در طول چند هفته، آن جرقه اولیه به آتشی تبدیل شد که بیش از ۱۰۰۰۰۰ هکتار را در بر گرفت و رسماً آن را به عنوان “ابرآتش” و بزرگترین آتش‌سوزی جنگلی سال ۲۰۲۵ … تاکنون طبقه‌بندی کرد. تا زمان نگارش این مطلب، “آتش‌سوزی اژدها براوو” تاکنون ۷۰ ساختمان، از جمله لژ تاریخی گرند کنیون را ویران کرده است.

    جلوگیری کامل از آتش‌سوزی‌های جنگلی مانند این غیرممکن است، اما یکی از مؤثرترین استراتژی‌های کاهش، یکی از قدیمی‌ترین‌ها نیز هست. قرن‌هاست که آتش‌نشانان در سراسر جهان از سوختگی‌های کنترل‌شده، که گاهی اوقات آتش‌سوزی تجویزی نامیده می‌شود، برای از بین بردن پیشگیرانه برگ‌ها، شاخه‌های مرده و سایر مواد خشکی که می‌توانند به عنوان سوخت قابل احتراق در مسیر آتش‌سوزی‌های جنگلی عمل کنند، استفاده کرده‌اند. این ایده می‌گوید که حذف آن سوخت باید به جلوگیری از بزرگ‌تر و خطرناک‌تر شدن آتش‌سوزی‌های جنگلی کمک کند.

    با این حال، این سوختن کنترل‌شده به طور فزاینده‌ای توسط افراد روی زمین یا هواپیماهای سرنشین‌دار در بالای سر، بلکه توسط پهپادهای کوادکوپتر کوچکی که صدها «تخم اژدها» به اندازه توپ پینگ‌پنگ حمل می‌کنند، آغاز نمی‌شوند. این تخم‌های قابل احتراق هنگام رها شدن، آتش‌های کوچک، قابل ردیابی و مهار شده را شعله‌ور می‌کنند.

    شرکت نوپای Drone Amplified مستقر در نبراسکا، در سال ۲۰۱۷ با دریافت اطلاعات از وزارت کشور ایالات متحده و سازمان جنگلبانی ایالات متحده، این سیستم را که «IGNIS» می‌نامد، پیشگام کرد. اکنون، هشت سال بعد، دن جاستا، معاون توسعه کسب‌وکار Drone Amplified، به مجله Popular Science می‌گوید که پهپادهای این شرکت در حال حاضر بیش از ۲۰۰ سیستم را در حداقل ۳۰ ایالت ایالات متحده و همچنین کانادا، آلمان و استرالیا راه‌اندازی کرده‌اند.

    جاستا گفت: “این [سیستم] به شما امکان می‌دهد مساحت بسیار زیادی از زمین را پوشش دهید و در هنگام آتش‌سوزی‌های جنگلی، برای آگاهی از موقعیت، آتش را زیر نظر داشته باشید. همچنین به شما امکان پرواز در شب را می‌دهد.”

    مقابله با آتش بوسیه خودش

    سیستم IGNIS شرکت Drone Amplified که از تحقیقات انجام شده توسط دو استاد در دانشگاه نبراسکا-لینکلن سرچشمه گرفته است، از چهار زیرسیستم اصلی تشکیل شده است. به گفته جاستا، خود پهپاد یک نسخه به شدت اصلاح شده از مدل Freefly Systems Alta X ساخت آمریکا است. یک مخزن بزرگ به آن متصل است که تا ۴۵۰ (یا حدود ۱۳ پوند)  توپ‌ “تخم اژدها” را در خود جای می‌دهد. این کره‌های پلاستیکی کوچک با پرمنگنات پتاسیم پر شده‌اند. در طول یک آتش‌سوزی کنترل‌شده، هر توپ در یک مکانیزم سوراخ‌کن جداگانه قرار می‌گیرد که در آنجا اتیلن گلیکول، ترکیبی که معمولاً در ضد یخ یافت می‌شود، تزریق می‌شود. واکنش شیمیایی حاصل، شعله‌ای پایدار، نسبتاً خنک و کنترل‌شده تولید می‌کند.

    آتش‌

    پس از سوراخ شدن، حدود ۳۰ تا ۴۵ ثانیه طول می‌کشد تا تخم‌های اژدها مشتعل شوند و در این مدت، از پهپاد به سمت اهداف از پیش برنامه‌ریزی‌شده پرتاب می‌شوند. این فرآیند می‌تواند تا ۱۲۰ بار در دقیقه تکرار شود تا زمانی که مخزن خالی شود. آتش‌نشانان می‌توانند تعداد تخم‌های پرتاب‌شده را بسته به شدت سوختگی مورد نظر تنظیم کنند. هر محموله همچنین طوری برنامه‌ریزی شده است که توپ‌های آتش‌زا را فقط در یک منطقه جغرافیایی خاص رها کند.

    آنها با استفاده از یک برنامه همراه، پهپاد را کنترل می‌کنند. این پهپاد مجهز به دوربین‌های حرارتی است که به اپراتورها اجازه می‌دهد حتی در شرایط دودآلود، اهداف را به وضوح ببینند و پس از شروع سوختگی‌های تعیین‌شده، پیشرفت آنها را رصد کنند. به گفته جاستا، پهپاد، نرم‌افزار همراه آن و آموزش‌های لازم روی هم رفته تقریباً ۱۰۰۰۰۰ دلار هزینه داشته است.

    این مبلغ زیادی به نظر می‌رسد، اما اغلب گزینه مقرون‌به‌صرفه‌تری نسبت به استقرار یک هلیکوپتر با خدمه کامل آتش‌نشانان است. همچنین به‌طور قابل‌توجهی ایمن‌تر است. پهپادها تحت تأثیر استنشاق دود یا خطر مسمومیت با مونوکسید کربن قرار نمی‌گیرند و به آنها اجازه می‌دهند در محیط‌های خطرناک‌تری فعالیت کنند. مزیت دیگر این است که سقوط یک پهپاد، اگرچه گران است، اما تهدیدکننده زندگی نیست. مرکز کنترل و پیشگیری از بیماری‌ها (CDC) تخمین می‌زند که حدود ۲۵ درصد از کل تلفات آتش‌نشانی مربوط به هوانوردی است.

    جاستا گفت: “پرواز هلیکوپترها بر فراز آتش‌سوزی‌های جنگلی بسیار خطرناک است زیرا شما دارای ترمال هستید، دود دارید و نمی‌توانید چیزی ببینید. پهپادها را می‌توانید در هر جایی قرار دهید.”

    همه اینها به آتش‌نشانان مجهز به پهپاد، ظرفیت و انعطاف‌پذیری بیشتری برای انجام سوختگی‌های تجویز شده می‌دهد، ابزاری که می‌تواند تفاوت قابل توجهی ایجاد کند. یک مطالعه در سال ۲۰۲۴ که در مجله Forest Ecology and Management منتشر شد، نشان داد که سوزاندن تجویز شده، هنگامی که با نازک شدن درختان همراه باشد، شدت آتش‌سوزی‌های جنگلی را در مقایسه با مناطقی که درمان مشابهی دریافت نکردند، بیش از ۶۰ درصد کاهش می‌دهد.

    اطمینان از اینکه از تخم‌های اژدها برای همیشه استفاده می‌شود

    اما همچنین این نگرانی وجود دارد که پهپادی که قادر به شروع آتش‌سوزی است، این کار را فقط در مکانی که قرار است انجام دهد، انجام دهد. برای این منظور، جاستا می‌گوید که این شرکت سیستم خود را با ابزارهای ایمنی و کاهش خطرات از ابتدا طراحی کرده است. در حالی که خلبانان می‌توانند در صورت نیاز پهپاد را هدایت کنند، این وسیله پرنده فقط تخم‌های اژدها را در یک منطقه از پیش تعیین‌شده و محصور شده جغرافیایی (منطقه آتش‌سوزی کنترل‌شده تعیین‌شده) رها می‌کند.

    حسگرهای موجود در هواپیما می‌توانند تشخیص دهند که آیا پهپاد یا محموله آن آسیب دیده است یا خیر. در صورت بروز چنین اتفاقی، سیستم به طور خودکار مکانیسم رهاسازی را غیرفعال می‌کند و آتشی کوچک و کم‌دما را ایجاد می‌کند که برای خاموش کردن ایمن طراحی شده است.

    آتش‌

    در مورد خطر دسترسی هکرها به دستگاه و استفاده از آن برای ایجاد ویرانی، جاستا می‌گوید که پهپادها با استفاده از رمزگذاری مبتنی بر رادیو، خطر را کاهش می‌دهند. او همچنین اشاره می‌کند که هر کسی که قصد شروع آتش‌سوزی در جنگل را دارد، تقریباً مطمئناً روش‌های آسان‌تری در دسترس دارد. خرید یک بسته سیگار در پمپ بنزین بسیار ارزان‌تر و ساده‌تر از هک کردن یک پهپاد است.

    اگرچه قابل توجه‌ترین تأثیرات آن تاکنون در مدیریت آتش‌سوزی‌های جنگلی بوده است، اما مکانیسم رهاسازی اشیاء توسط Drone Amplified محدود به رهاسازی تخم‌های اژدها نیست. ماه گذشته، این شرکت با سازمان حفاظت از پرندگان آمریکا همکاری کرد تا ده‌ها غلاف پشه‌ی زیست‌تخریب‌پذیر و پرورش‌یافته در آزمایشگاه را بر فراز جنگل‌های هاوایی رها کند تا جمعیت پشه‌های مهاجم این منطقه را که تهدیدی جدی برای برخی از گونه‌های پرندگان بومی است، مهار کند. جاستا گفت که این شرکت همچنین با وزارت حمل و نقل آلاسکا برای استقرار مواد منفجره‌ی کنترل‌شده برای ایجاد بهمن‌های مدیریت‌شده همکاری می‌کند.

  • سیستم مکان یابی جایگزین GPS با نیروی مغناطیسی پوسته زمین

    سیستم‌های موقعیت‌یابی جهانی مبتنی بر ماهواره یا GPS، دهه‌هاست که روش اصلی ناوبری هوافضا بوده‌اند. اما با افزایش پارازیت و جعل GPS، این صنعت به دنبال به‌روزرسانی سریع آن است.

    اکنون، مرکز نوآوری ایرباس مستقر در سیلیکون ولی، Acubed، و شرکت هوش مصنوعی و کوانتومی گوگل، SandboxAQ، در ماموریتی برای نشان دادن یک روش جایگزین هستند. این روش شامل یک جعبه کوچک به اندازه توستر، لیزرها، یک تراشه GPU و دانش عمیق از میدان مغناطیسی زمین است.

    این فناوری که به عنوان حسگر کوانتومی شناخته می‌شود، دهه‌هاست که در تعدادی از شرکت‌ها در حال توسعه است و اکنون به تجاری‌سازی در هوافضا نزدیک‌تر می‌شود.

    Acubed اخیراً MagNav، دستگاه حسگر کوانتومی SandboxAQ، را در یک آزمایش در مقیاس بزرگ به کار گرفت و بیش از ۱۵۰ ساعت با آن در سراسر قاره آمریکا با یک هواپیمای هوانوردی عمومی که Acubed آن را «آزمایشگاه پرواز» خود می‌نامد، پرواز کرد.

    MagNav از فیزیک کوانتومی برای اندازه‌گیری امضاهای مغناطیسی منحصر به فرد در نقاط مختلف پوسته زمین استفاده می‌کند. یک الگوریتم هوش مصنوعی این امضاها را با یک مکان دقیق مطابقت می‌دهد. در طول آزمایش، Acubed دریافت که می‌تواند جایگزین امیدوارکننده‌ای برای GPS در توانایی تعیین مکان هواپیما در طول پروازها باشد.

    جک هیداری، مدیر اجرایی SandboxAQ، گفت: “بخش سخت، اثبات این بود که این فناوری می‌تواند کار کند. قبل از اینکه این فناوری از مرحله آزمایش خارج شود، آزمایش‌ها و گواهینامه‌های بیشتری مورد نیاز خواهد بود. SandboxAQ ابتدا مشتریان دفاعی و سپس پروازهای تجاری را هدف قرار خواهد داد. زیرا افزایش دستکاری GPS نیاز به یک سیستم ناوبری پشتیبان در پروازها را ضروری‌تر می‌کند.”

    ایرباس اعلام کرد که نمی‌تواند در مورد برنامه‌های آینده در مورد استفاده از این فناوری اظهار نظر کند. اریک یوتنویر، مهندس ارشد سیستم در Acubed، گفت: “خوشحالم که تاکنون توانسته‌ایم در این زمینه سرمایه‌گذاری کنیم. فکر می‌کنم واقعاً نشان می‌دهد که این فناوری می‌تواند یک کمک بالقوه باشد. نیاز به این امر شامل تمام بخش‌های کلیدی تجاری ایرباس می‌شود.”

    اختلال در GPS، زمانی که سیگنال‌های موقعیت‌یابی مسدود می‌شوند تا مکان پرواز نشان داده نشود، و جعل، زمانی که GPS مکان نادرستی را نشان می‌دهد، در خاورمیانه و اطراف اوکراین و روسیه در حال افزایش است. ارتش‌های مختلف در منطقه ممکن است از چنین تکنیک‌هایی برای جلوگیری از یافتن اهداف توسط موشک‌ها و پهپادها استفاده کنند، اما این عمل می‌تواند بر پروازهای غیرنظامی تأثیر بگذارد.

    GPS

    GPS در مقابل حسگر کوانتومی

    GPS با پخش سیگنال‌های دقیق از مجموعه‌ای از ماهواره‌ها که به دور کره زمین می‌چرخند، کار می‌کند. اما ارتش‌ها و بازیگران بد همچنین می‌توانند سیگنال‌های جعلی را که از زمین پخش می‌شوند، ارسال کنند که تشخیص آنها دشوار است.

    هیداری از SandboxAQ گفت، دستگاه حسگر کوانتومی کاملاً آنالوگ است و اساساً آن را غیرقابل اختلال و غیرقابل جعل می‌کند. برخلاف GPS، به هیچ سیگنال دیجیتالی که در برابر هک آسیب‌پذیر باشد، متکی نیست. او گفت اطلاعاتی که ارائه می‌دهد کاملاً از دستگاه موجود در دستگاه تولید می‌شود و از امضاهای مغناطیسی زمین استفاده می‌کند که نمی‌توان آنها را جعل کرد.

    هیداری گفت، حسگر کوانتومی احتمالاً جایگزین تمام کاربردهای GPS سنتی نخواهد شد، اما می‌تواند یک پشتیبان قابل اعتماد باشد و به خلبانان کمک کند تا واقعاً بدانند چه زمانی GPS جعل می‌شود.

    نحوه کار آن

    در داخل دستگاه SandboxAQ، که اساساً یک جعبه سیاه کوچک است، یک لیزر یک فوتون را به یک الکترون شلیک می‌کند و آن را مجبور به جذب آن فوتون می‌کند. هنگامی که لیزر خاموش می‌شود، آن الکترون به حالت پایه خود برمی‌گردد و فوتون را آزاد می‌کند. با آزاد شدن فوتون، بر اساس قدرت میدان مغناطیسی زمین در آن مکان خاص، یک امضای منحصر به فرد از خود منتشر می‌کند.

    هر متر مربع از جهان یک امضای مغناطیسی منحصر به فرد دارد که بر اساس نحوه خاص مغناطیسی شدن مواد معدنی پوسته توسط ذرات آهن باردار در هسته مذاب بیرونی زمین است. دستگاه SandboxAQ آن امضا را ردیابی می‌کند، آن را به یک الگوریتم هوش مصنوعی که بر روی یک پردازنده گرافیکی واحد اجرا می‌شود، می‌دهد، امضا را با نقشه‌های امضای مغناطیسی موجود مقایسه می‌کند و مکان دقیقی را برمی‌گرداند.

    GPS

    اداره هوانوردی فدرال الزام می‌کند که هواپیماها در حین حرکت باید بتوانند موقعیت دقیق خود را در محدوده ۲ مایل دریایی (کمی بیشتر از ۲ مایل) مشخص کنند. در طول آزمایش Acubed، مشخص شد که MagNav می‌تواند موقعیت مکانی را در ۱۰۰٪ مواقع در محدوده ۲ مایل دریایی مشخص کند و حتی می‌تواند موقعیت مکانی را در محدوده ۵۵۰ متر یا کمی بیشتر از یک چهارم مایل دریایی، در ۶۴٪ مواقع، مشخص کند.

    هیداری گفت: “این اولین سیستم ناوبری مطلق جدید تا آنجا که ما می‌دانیم در ۵۰ سال گذشته است.”

    حسگر کوانتومی چه کارهای دیگری می‌تواند انجام دهد؟

    جو دپا، مدیر ارشد نوآوری جهانی EY، گفت که کاربردهای حسگر کوانتومی فراتر از هوافضا است. در دفاع، می‌توان از آنها برای شناسایی زیردریایی‌ها و تونل‌های پنهان نیز استفاده کرد. در مراقبت‌های بهداشتی، آنها حتی می‌توانند سیگنال‌های مغناطیسی ضعیف را از مغز یا قلب تشخیص دهند، که از نظر تئوری امکان تشخیص بهتر بیماری‌های عصبی و قلبی را بدون انجام اقدامات تهاجمی فراهم می‌کند.

    دپا گفت، اگرچه این فناوری دهه‌هاست که در آزمایشگاه بوده است، اما شاهد ورود نمونه‌های بیشتری از حسگرهای کوانتومی به دنیای واقعی هستیم. او گفت، برخی از تحلیلگران تخمین می‌زنند که بازار حسگرهای کوانتومی تا سال ۲۰۴۰ می‌تواند به ۱ تا ۶ میلیارد دلار برسد.

    دپا گفت: “ما در مورد چیزی مربوط به ۲۰ سال آینده صحبت نمی‌کنیم. این [وضعیت] همین جا و همین الان است.”