دسته: تکنولوژی

لنزهای تماسی همیشه یکی از پرکاربردترین ابزارهای اصلاح بینایی بوده‌اند، اما یک مشکل رایج آن‌ها خط و خش‌های کوچک و آسیب‌های سطحی است که معمولاً باعث می‌شود کاربران مجبور به تعویض لنز شوند. این موضوع نه‌تنها هزینه‌بر است، بلکه باعث افزایش زباله‌های پلاستیکی نیز می‌شود.

اکنون پژوهشگران کره جنوبی با توسعه نوعی ماده جدید، گامی مهم در مسیر ساخت لنزهای هوشمند برداشته‌اند؛ لنزهایی که می‌توانند تنها با یک ساعت نور فرابنفش خود را ترمیم کنند.

لنزهای هوشمند چگونه خود را ترمیم می‌کنند؟

پژوهشگران دانشگاه‌های کره جنوبی موفق شده‌اند یک ماده هیدروژلی جدید طراحی کنند که قابلیت خودترمیمی دارد. این ماده می‌تواند آسیب‌های سطحی را تنها با قرار گرفتن در معرض نور UV با طول موج 365 نانومتر ترمیم کند.

در این فرآیند، واکنشی شیمیایی به نام تبادل دی‌سولفیدی رخ می‌دهد. در این واکنش، پیوندهای گوگردی در ساختار پلیمر به‌طور موقت شکسته شده و دوباره با اتم‌های مجاور پیوند می‌خورند. این بازآرایی باعث می‌شود شبکه پلیمری آسیب‌دیده دوباره بازسازی شود و سطح لنز تقریباً به حالت اولیه برگردد.

نتیجه این فرایند بسیار چشمگیر است: تنها در مدت یک ساعت، خط و خش‌های سطحی تقریباً به‌طور کامل از بین می‌روند و سطحی یکنواخت و شفاف ایجاد می‌شود.

تفاوت با روش‌های قبلی

پژوهشگران پیش‌تر نیز نوعی هیدروژل خودترمیم‌شونده را معرفی کرده بودند، اما آن نسخه برای ترمیم به گرما نیاز داشت. این روش چند ساعت زمان می‌برد و مشکل مهمی داشت: گرما باعث خشک شدن لنزهای تماسی می‌شد و آن‌ها را برای استفاده روزمره نامناسب می‌کرد.

نسخه جدید این مشکل را حل کرده است. در لنزهای هوشمند جدید، فرآیند ترمیم در دمای اتاق و تنها با نور UV انجام می‌شود. این موضوع باعث می‌شود لنز هم راحت‌تر باشد و هم قابل استفاده در شرایط واقعی زندگی روزمره.

پوشش محافظ ضد خش و ضد باکتری

یکی از ویژگی‌های مهم این فناوری، استفاده از یک لایه محافظ اضافی روی هیدروژل است. این پوشش دو وظیفه اصلی دارد:

• کاهش ایجاد خط و خش روی سطح لنز
• جلوگیری از رشد باکتری‌ها و آلودگی‌های میکروبی

در آزمایش‌های انجام شده، این پوشش عملکرد بسیار خوبی نشان داده است. حتی پس از تماس مداوم با مواد ساینده ریز مانند سمباده نرم، شفافیت لنز تقریباً حفظ شده و تنها حدود 2 درصد کاهش یافته است. این میزان کاهش برای تأثیرگذاری بر دید انسان بسیار ناچیز محسوب می‌شود.

ویژگی‌های فیزیکی مشابه لنزهای تجاری

یکی از چالش‌های مهم در طراحی مواد جدید برای چشم، حفظ راحتی و رطوبت است. پژوهشگران اعلام کرده‌اند که هیدروژل جدید، میزان آب خود را به خوبی حفظ می‌کند و از نظر مکانیکی نیز ویژگی‌هایی مشابه لنزهای تماسی نرم تجاری دارد.

این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا راحتی استفاده از لنز به حفظ رطوبت و انعطاف‌پذیری آن در طول روز بستگی دارد. اگر لنز خشک شود یا سفت شود، استفاده از آن برای چشم خطرناک و ناراحت‌کننده خواهد بود.

• مرورگر وب شما چقدر از شما می‌داند؟ راهکارهایی برای حفظ حریم خصوصی

امکان ترمیم چندباره با نور UV

یکی از نکات جالب در مورد این فناوری (لنزهای هوشمند) این است که فرآیند ترمیم محدود به یک بار استفاده نیست. کاربران می‌توانند بارها و بارها از نور UV برای بازسازی لنز استفاده کنند.

پژوهشگران همچنین اشاره کرده‌اند که حتی دستگاه‌های UV خانگی، مانند دستگاه‌های مورد استفاده برای خشک کردن لاک ژل ناخن یا استریل‌سازی، می‌توانند برای این کار استفاده شوند. این موضوع نشان می‌دهد که در آینده کاربران ممکن است بدون نیاز به تجهیزات پیچیده پزشکی، لنزهای خود را در خانه ترمیم کنند.

مرحله آزمایش و چالش‌های آینده

با وجود نتایج امیدوارکننده، این فناوری هنوز وارد بازار نشده است. لنزهای هوشمند باید مراحل بیشتری را طی کنند، از جمله:

• آزمایش‌های طولانی‌مدت برای بررسی پایداری
• ارزیابی ایمنی برای استفاده مداوم در چشم انسان
• دریافت تأییدیه‌های پزشکی و قانونی
• بررسی عملکرد در شرایط واقعی استفاده روزانه

این مراحل برای اطمینان از ایمنی کامل کاربران ضروری هستند، زیرا لنز مستقیماً با چشم در تماس است و هرگونه نقص می‌تواند اثرات جدی داشته باشد.

تأثیر احتمالی بر آینده بازار لنزهای تماسی

اگر این فناوری به مرحله تجاری برسد، می‌تواند تغییر بزرگی در صنعت مراقبت از چشم ایجاد کند. در حال حاضر بسیاری از کاربران مجبورند لنزهای خود را به‌صورت دوره‌ای تعویض کنند، حتی اگر آسیب سطحی بسیار جزئی باشد.

با ورود لنزهای هوشمند خودترمیم‌شونده، این چرخه مصرف می‌تواند تغییر کند. کاربران ممکن است بتوانند یک لنز را برای مدت طولانی‌تری استفاده کنند، که هم باعث کاهش هزینه‌ها می‌شود و هم میزان زباله‌های پلاستیکی را کاهش می‌دهد.

از طرف دیگر، ترکیب ویژگی خودترمیمی با پوشش ضد باکتری می‌تواند ایمنی بیشتری برای چشم فراهم کند و خطر عفونت را کاهش دهد.

جمع‌بندی

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که آینده لنزهای تماسی می‌تواند بسیار متفاوت از امروز باشد. استفاده از هیدروژل‌های پیشرفته و واکنش‌های شیمیایی فعال‌شونده با نور، راه را برای نسل جدیدی از لنزهای هوشمند باز کرده است؛ لنزهایی که نه‌تنها شفاف‌تر و مقاوم‌تر هستند، بلکه می‌توانند خودشان را نیز ترمیم کنند.

اگر این فناوری از مراحل آزمایش و تأیید عبور کند، احتمالاً یکی از مهم‌ترین نوآوری‌ها در حوزه اپتیک و مراقبت از چشم در دهه آینده خواهد بود؛ نوآوری‌ای که می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد، عمر محصولات را افزایش دهد و تجربه استفاده از لنز را کاملاً متحول کند.

نور خورشید یکی از فراوان‌ترین منابع انرژی روی زمین است، اما ما نمی‌توانیم هر زمان و در هر مکانی که بخواهیم از آن استفاده کنیم. دلیل این موضوع ساده است: ذخیره انرژی خورشیدی و انتقال آن از مناطق آفتابی به نقاطی با تابش محدود، همچنان پرهزینه و از نظر فنی چالش‌برانگیز است. زیرساخت‌هایی مانند باتری‌های بزرگ، شبکه‌های انتقال برق و تجهیزات پیچیده ذخیره‌سازی، هزینه و محدودیت‌های خاص خود را دارند.

با این حال، یک تیم تحقیقاتی به‌تازگی نشان داده است که می‌توان نور خورشید را داخل یک مایع ذخیره کرد و سپس در تاریکی کامل آن را به گاز هیدروژن تبدیل نمود. نکته مهم اینجاست که این روش نه به سیم‌کشی نیاز دارد، نه باتری و نه حتی اتصال به شبکه برق. این دستاورد می‌تواند فصل تازه‌ای در حوزه ذخیره انرژی خورشیدی و انتقال آن باز کند.

عبور از یک مانع قدیمی در ذخیره انرژی خورشیدی

تا پیش از این، هیچ سامانه‌ای که از مواد ساده و در دسترس تجاری استفاده کند، موفق نشده بود انرژی خورشیدی را ذخیره و سپس بدون استفاده از برق خارجی، آن را به هیدروژن آزاد کند. پژوهش جدید نشان می‌دهد که این مانع مهم سرانجام پشت سر گذاشته شده است.

در این فناوری، نور خورشید به نوعی «الکترون ذخیره‌شده» تبدیل می‌شود. به بیان ساده، انرژی نورانی به صورت انرژی شیمیایی در یک محلول نگهداری می‌شود و هر زمان که لازم باشد، آزاد می‌گردد. این مفهوم می‌تواند تحول بزرگی در ذخیره انرژی خورشیدی ایجاد کند، زیرا وابستگی به زیرساخت‌های پیچیده را کاهش می‌دهد.

تبدیل نور خورشید به «الکترون‌های ذخیره‌شده»

سیستم طراحی‌شده توسط محققان از دو ماده ارزان و در دسترس ساخته شده است. ماده نخست «نیترید کربن گرافیتی» است؛ پودری زردرنگ که توانایی جذب نور مرئی را دارد و به‌عنوان فوتوکاتالیست عمل می‌کند. ماده دوم «آمونیوم متاتنگستات» است؛ خوشه‌ای از اتم‌های تنگستن و اکسیژن که می‌تواند چندین الکترون را بپذیرد و نگه دارد، درست مانند یک باتری قابل شارژ بسیار کوچک.

این فرآیند در محیط آب انجام می‌شود و مقدار کمی متانول نیز به آن افزوده می‌شود. متانول نقش کلیدی دارد، زیرا بارهای مثبت ایجادشده هنگام برخورد نور به نیترید کربن را جذب می‌کند. این کار مانع از بازترکیب سریع الکترون‌ها می‌شود و اجازه می‌دهد انرژی به‌جای از بین رفتن، ذخیره شود. البته در این سیستم، آب خالص شکافته نمی‌شود و متانول به‌عنوان یک ماده کمکی مصرفی عمل می‌کند.

زمانی که نیترید کربن با نور آبی روشن می‌شود، جفت‌هایی از الکترون و حفره تولید می‌کند. الکترون‌ها به‌سرعت به خوشه‌های تنگستن مجاور منتقل می‌شوند. با انباشته شدن الکترون‌ها، رنگ محلول از زرد کم‌رنگ به آبی تیره تغییر می‌کند. این تغییر رنگ نشانه‌ای واضح است از اینکه اتم‌های تنگستن از حالت بار +۶ به +۵ کاهش یافته‌اند و انرژی خورشیدی به شکل شیمیایی ذخیره شده است.

این انتقال الکترون به دو دلیل بسیار کارآمد است. نخست اینکه در شرایط اسیدی، سطح نیترید کربن بار مثبت پیدا می‌کند و خوشه‌های تنگستن بار منفی دارند. بارهای مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند و این نزدیکی باعث انتقال سریع‌تر الکترون‌ها می‌شود. دوم اینکه ترازهای انرژی این دو ماده به‌خوبی با هم هماهنگ است، بنابراین الکترون‌ها بدون نیاز به نیروی خارجی جابه‌جا می‌شوند. در میان چند ماده مشابه آزمایش‌شده، ترکیب تنگستن بهترین عملکرد و سازگاری انرژی را نشان داد.

• مواد نرم هوشمند؛ گامی نو در طراحی ربات‌های نسل آینده

آزادسازی انرژی در تاریکی کامل

نکته جالب اینجاست که با خاموش شدن نور، انرژی ذخیره‌شده از بین نمی‌رود. برای آزادسازی آن، پژوهشگران تنها کافی است یک کاتالیست پلاتین روی کربن به محلول تاریک اضافه کنند. پلاتین مکان‌هایی فراهم می‌کند که در آن الکترون‌های ذخیره‌شده با پروتون‌های موجود در آب ترکیب شده و گاز هیدروژن تولید می‌کنند.

به این ترتیب، جذب نور خورشید، ذخیره انرژی خورشیدی و تولید هیدروژن در مراحل جداگانه انجام می‌شود و حتی می‌تواند در زمان‌های متفاوت صورت گیرد. پس از یک ساعت نوردهی، این سیستم توانست در تاریکی ۱۳.۵ میکرومول هیدروژن تولید کند. بیشترین نرخ تولید هیدروژن به ۳۲۲۰ میکرومول در هر گرم در ساعت رسید که بالاترین مقدار ثبت‌شده برای یک سیستم فوتوکاتالیستی فعال در تاریکی است.

آزمایش‌های فضای باز زیر نور واقعی خورشید نیز موفقیت‌آمیز بودند. در این شرایط، سیستم توانست در تاریکی ۹۵۴ میکرومول در هر گرم در ساعت هیدروژن تولید کند، آن هم بدون هیچ ورودی الکتریکی. این نتایج نشان می‌دهد که ذخیره انرژی خورشیدی در قالب یک مایع قابل‌انتقال، تنها یک ایده آزمایشگاهی نیست، بلکه می‌تواند در شرایط واقعی نیز کار کند.

تأیید علمی عملکرد سیستم

اندازه‌گیری‌های پیشرفته نشان دادند که الکترون‌ها پس از جذب نور مدت بیشتری زنده می‌مانند، زیرا مقصدی برای انتقال دارند. طیف‌سنجی نیز نشان داد که اتم‌های تنگستن هنگام نوردهی الکترون جذب می‌کنند. اندازه‌گیری‌های مغناطیسی گونه‌های کاهش‌یافته تنگستن را تنها در زمان تابش نور شناسایی کردند. مجموعه این داده‌ها تأیید می‌کند که انرژی خورشیدی واقعاً ذخیره و سپس در صورت نیاز آزاد می‌شود.

پژوهشگران اعلام کردند این سامانه کارایی قابل توجهی در ذخیره انرژی به شکل الکترون دارد. این موضوع می‌تواند مسیر تازه‌ای برای ذخیره انرژی خورشیدی و تبدیل آن به سوخت پاک باز کند.

امکان انتقال انرژی خورشیدی به‌صورت مایع

یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های این فناوری، امکان حمل و نقل انرژی به شکل مایع است. به‌جای استفاده از مخازن پرفشار، دمای بسیار پایین یا شبکه برق، می‌توان محلول حاوی الکترون‌های ذخیره‌شده را به منطقه‌ای دیگر منتقل کرد و در آنجا به هیدروژن تبدیل نمود. اگر تحقیقات آینده نشان دهد که این الکترون‌ها به‌جای چند ساعت، برای هفته‌ها پایدار می‌مانند، آن‌گاه می‌توان انرژی خورشیدی جمع‌آوری‌شده در مناطق آفتابی را به نقاط کم‌نور جهان ارسال کرد.

در چنین سناریویی، مفهوم ذخیره انرژی خورشیدی از یک فرآیند محلی به یک زنجیره تأمین جهانی تبدیل خواهد شد. کشورهایی با تابش بالا می‌توانند انرژی را به شکل شیمیایی صادر کنند و دیگر کشورها آن را در زمان نیاز به سوخت هیدروژنی تبدیل نمایند.

چالش‌ها و مسیر پیش رو

با وجود این پیشرفت چشمگیر، محدودیت‌هایی نیز وجود دارد. این سیستم به متانول وابسته است و هنوز از آب خالص استفاده نمی‌کند. همچنین پایداری طولانی‌مدت ذخیره انرژی فراتر از مقیاس آزمایشگاهی هنوز اثبات نشده است. برای آنکه این فناوری به یک راهکار تجاری تبدیل شود، باید این چالش‌ها برطرف شوند.

با این حال، نتایج اولیه بسیار امیدوارکننده است. اگر موانع موجود برطرف شود، این روش می‌تواند راهکاری ساده، کم‌هزینه و مقیاس‌پذیر برای ذخیره انرژی خورشیدی و تولید هیدروژن پاک فراهم کند. چنین پیشرفتی نه‌تنها به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک می‌کند، بلکه می‌تواند ساختار تولید و توزیع انرژی در جهان را نیز تغییر دهد.

در نهایت، این پژوهش نشان می‌دهد که آینده ذخیره انرژی خورشیدی ممکن است به‌جای سیم و باتری، در قالب یک مایع قابل حمل و واکنش‌پذیر شکل بگیرد؛ راهکاری که می‌تواند انرژی خورشید را هر زمان و هر جا که لازم باشد، در دسترس قرار دهد.

پژوهشگران نسل تازه‌ای از مواد نرم و برنامه‌پذیر را توسعه داده‌اند که می‌توانند بسته به جهت و نوع نیروی واردشده، رفتارهای متفاوتی از خود نشان دهند؛ از پیچش و خم‌شدن گرفته تا افزایش چشمگیر سختی. این پیشرفت می‌تواند نحوه درک، واکنش و حرکت ربات‌ها در محیط‌های واقعی را دگرگون کند و تعریف تازه‌ای از تعامل میان ماشین و جهان اطراف ارائه دهد.

تیمی تحقیقاتی در The Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) موفق شده است نوعی کامپوزیت پیشرفته طراحی کند که پاسخ‌های مکانیکی آن به‌صورت نامتقارن و با دقت بالا قابل تنظیم است. این ویژگی برای توسعه سامانه‌های «مکانوهوشمند» اهمیت اساسی دارد؛ سامانه‌هایی که به‌جای اتکا صرف به حسگرها و مدارهای الکترونیکی، خودِ ساختار فیزیکی‌شان توانایی درک و واکنش به نیرو را دارد. در این چارچوب، مواد نرم دیگر تنها عناصر انعطاف‌پذیر نیستند، بلکه به بستری برای پردازش مکانیکی اطلاعات تبدیل می‌شوند.

هسته اصلی این دستاورد، ادغام پدیده‌ای به نام «گذار گیرکردگی برشی» درون جامدات پلیمری انعطاف‌پذیر است. در این سازوکار، ماده زمانی که تحت نیروی برشی قرار می‌گیرد، به‌طور ناگهانی و چشمگیر سفت می‌شود؛ اما در شرایط عادی و بدون تنش شدید، نرم و انعطاف‌پذیر باقی می‌ماند. این رفتار دوگانه باعث می‌شود مواد نرم طراحی‌شده بتوانند بسته به نوع و جهت نیرو، عملکرد متفاوتی داشته باشند. برای مثال، یک قطعه ممکن است هنگام کشیده‌شدن انعطاف‌پذیر باشد، اما در برابر پیچش مقاومت بالایی نشان دهد.

شکل‌گیری «هوش جهت‌مند»

این رویکرد تفاوت محسوسی با فرامواد سنتی دارد. بسیاری از فرامواد قدیمی برای دستیابی به رفتارهای ویژه، بر چارچوب‌های سخت و ساختارهای هندسی پیچیده تکیه داشتند. این ساختارها اگرچه در آزمایشگاه عملکرد مطلوبی نشان می‌دادند، اما در عمل به‌دلیل شکنندگی و حساسیت بالا به نقص‌های ساختاری، به‌راحتی ترک می‌خوردند یا می‌شکستند. در مقابل، مواد نرم مبتنی بر گیرکردگی برشی، ضمن حفظ انعطاف‌پذیری، مقاومت بالایی در برابر شکست دارند و می‌توانند حتی در صورت وجود نقص‌های کوچک نیز عملکرد قابل اتکایی ارائه دهند.

یکی از ویژگی‌های کلیدی این نسل جدید از مواد نرم، امکان تنظیم رفتار مکانیکی در مقیاس‌های مختلف است. پژوهشگران با کنترل نحوه توزیع و زمان فعال‌شدن ذرات داخلی، می‌توانند تعیین کنند که ماده در چه شرایطی وارد حالت گیرکردگی برشی شود. این کنترل دقیق به آن‌ها اجازه می‌دهد تا ویژگی‌هایی مانند سختی وابسته به کرنش، پاسخ نامتقارن به نیرو و حتی حافظه شکلی جهت‌دار را در یک ساختار واحد پیاده‌سازی کنند. به بیان ساده‌تر، یک قطعه از مواد نرم می‌تواند «به خاطر بسپارد» که از چه جهتی تحت فشار قرار گرفته و بر همان اساس واکنش متفاوتی نشان دهد.

در حوزه‌هایی مانند رباتیک نرم، بافت‌های مصنوعی و الکترونیک انعطاف‌پذیر، چنین قابلیتی یک مزیت تعیین‌کننده محسوب می‌شود. ربات‌های نرم برای حرکت در فضاهای تنگ یا تعامل ایمن با بدن انسان به ساختارهایی نیاز دارند که هم انعطاف‌پذیر باشند و هم در مواقع لازم سفت شوند. مواد نرم توسعه‌یافته در این پروژه می‌توانند این دو ویژگی را هم‌زمان فراهم کنند، بدون آنکه نیاز به سازوکارهای پیچیده مکانیکی یا سامانه‌های کنترلی سنگین داشته باشند.

• پچ میکرونیدلی؛ رویکردی نوین برای ترمیم عضله قلب پس از سکته

گام مهم دیگر این پژوهش، ترکیب این کامپوزیت‌ها با پروفایل‌های مغناطیسی تنظیم‌شده در فضاست. با افزودن الگوهای مغناطیسی خاص، پژوهشگران توانسته‌اند «جامدات نرم فعال» بسازند که تحت میدان مغناطیسی خارجی حرکت جهت‌دار انجام می‌دهند. چنین ساختارهایی رفتاری شبیه موجودات زنده از خود نشان می‌دهند و می‌توانند در محیط‌های محدود یا پیچیده حرکت کنند؛ محیط‌هایی که ربات‌های سنتی با قطعات سخت در آن‌ها دچار مشکل می‌شوند.

گامی رو به جلو برای ربات‌های نرم

کاربردهای بالقوه این مواد نرم بسیار گسترده است. در سامانه‌های میکروسیالی، این مواد می‌توانند به‌عنوان سوپاپ‌های کنترل جریان عمل کنند و تنها در جهت خاصی باز یا بسته شوند. چنین قابلیتی برای طراحی پمپ‌های نرم، دستگاه‌های پزشکی کم‌تهاجمی و ابزارهای جراحی تطبیق‌پذیر اهمیت زیادی دارد. همچنین در حوزه زیست‌پزشکی، مواد نرم هوشمند می‌توانند در ساخت ایمپلنت‌هایی به کار روند که با حرکات طبیعی بدن هماهنگ می‌شوند و در عین حال در برابر نیروهای ناگهانی مقاومت نشان می‌دهند.

پژوهشگران تأکید می‌کنند که این پروژه پلی میان دو حوزه مهم علمی ایجاد کرده است: فیزیک مواد دانه‌ای و علم پلیمر. در گذشته، این دو حوزه عمدتاً به‌صورت جداگانه مطالعه می‌شدند. اما ترکیب آن‌ها امکان طراحی ساختارهایی را فراهم کرده که می‌توانند بدون اتکا به مدارهای الکترونیکی پیچیده، نوعی «هوش مکانیکی» از خود نشان دهند. به بیان دیگر، مواد نرم جدید قادرند به‌صورت ذاتی نیرو را حس کنند و پاسخ متناسب ارائه دهند.

از دیدگاه مهندسی، این دستاورد می‌تواند به شکل‌گیری یک پلتفرم طراحی تازه منجر شود؛ پلتفرمی که در آن مواد نرم نه فقط به‌عنوان اجزای منفعل، بلکه به‌عنوان عناصر فعال و تصمیم‌گیرنده در نظر گرفته می‌شوند. این رویکرد می‌تواند به تولید دستگاه‌هایی منجر شود که انرژی کمتری مصرف می‌کنند، سبک‌تر هستند و در عین حال سازگاری بیشتری با محیط دارند.

در نهایت، اهمیت این پیشرفت تنها در بهبود عملکرد ربات‌ها خلاصه نمی‌شود. توسعه مواد نرم برنامه‌پذیر می‌تواند بنیان نسل آینده ماشین‌های تغییرشکل‌دهنده، ابزارهای پوشیدنی هوشمند و حتی سامانه‌های سازگار با بدن انسان را شکل دهد. با ادامه این مسیر پژوهشی، احتمال دارد در سال‌های آینده شاهد ظهور تجهیزاتی باشیم که به‌جای اتکا به قطعات سخت و خشک، بر پایه مواد نرم انعطاف‌پذیر و هوشمند ساخته شده‌اند؛ موادی که می‌توانند همزمان حس کنند، واکنش نشان دهند و حرکت کنند.

تیمی از فیزیکدانان دانشگاه ورشو اولین گیرنده رادیویی تمام نوری جهان را ساخته‌اند که کاملاً با نور لیزر تغذیه می‌شود. این دستگاه که توسط محققان دانشکده فیزیک و مرکز فناوری‌های نوری کوانتومی توسعه یافته است، از اتم‌های ریدبرگ برای شناسایی و رمزگشایی امواج رادیویی بدون تکیه بر آنتن‌های فلزی یا مدارهای الکتریکی استفاده می‌کند.

یافته‌های آنها جهشی بزرگ در حسگری کوانتومی است. این گیرنده می‌تواند خود را کالیبره کند، سیگنال‌های ضعیف را با دقت بالا تشخیص دهد و به صورت نامرئی عمل کند، همه اینها با استفاده از پرتوهای نور انجام می‌شود. این پروژه که توسط دکتر میشال پارنیاک رهبری می‌شود، تحت قرارداد آژانس فضایی اروپا نیز در حال تجاری‌سازی است.

قدیمی و مدرن

آنتن‌های فلزی معمولاً برای دریافت سیگنال‌های ارسالی استفاده می‌شوند که انرژی امواج ورودی را به گیرنده هدایت می‌کنند. جذب انرژی، اندازه‌گیری الکترونیکی دامنه و فاز امواج را امکان‌پذیر می‌سازد. امروزه، این اندازه‌گیری با تبدیل (ترکیب) فرکانس‌ها انجام می‌شود.

در ارتباطات مدرن، امواج رادیویی بیشتر اطلاعات دیجیتال جهان را حمل می‌کنند. گیرنده‌های سنتی برای دریافت این سیگنال‌ها به آنتن‌های فلزی و میکسرهای الکتریکی متکی هستند. تیم ورشو کل این مجموعه را با اتم‌های روبیدیوم معلق در یک سلول شیشه‌ای و روشن شده توسط سه لیزر فوق پایدار جایگزین کرد.

همانطور که دکتر میشال پارنیاک توضیح داد: “در آزمایش‌هایمان، آنتن و میکسر الکترونیکی را با یک واسطه جدید (نوعی شفق قطبی مصنوعی) جایگزین کردیم.”

هر پرتو لیزر دقیقاً با سطوح انرژی کوانتومی اتم‌های روبیدیوم مطابقت دارد. الکترون‌ها با ورود به مدارهای پرانرژی که به عنوان حالت‌های ریدبرگ شناخته می‌شوند، پاسخ می‌دهند. وقتی امواج رادیویی از سلول عبور می‌کنند، این حرکت اتمی را کمی تغییر می‌دهند.

سپس الکترون‌ها به مدارهای پایین‌تر برمی‌گردند و نور مادون قرمز ضعیفی را منتشر می‌کنند که سیگنال رمزگذاری شده را حمل می‌کند. این تیم همچنین با نگه داشتن لیزرها و اتم‌ها در ریتم کامل، یک چالش فنی بزرگ را حل کرد. آنها از حفره‌های نوری، لوله‌های خلاء با روکش آینه‌ای که فرکانس نور را تثبیت می‌کنند، استفاده کردند، شبیه به نحوه‌ای که یک لوله ارگ ​​یک نت موسیقی را نگه می‌دارد.

این سیستم حرکت الکترون‌ها را ثابت نگه می‌دارد و امکان تشخیص دقیق دامنه و فاز سیگنال را فراهم می‌کند.

• رونمایی IBM از نقشه راه کامپیوتر کوانتومی مقام در مقابل خطا

تشخیص نامرئی و غیرتهاجمی

برخلاف آنتن‌های سنتی، گیرنده لیزری هیچ قطعه فلزی ندارد و در میدان رادیویی که اندازه‌گیری می‌کند، تداخل ایجاد نمی‌کند.

این سیستم فقط به بخار روبیدیوم، لیزر و یک محفظه مهر و موم شده نیاز دارد. در آینده، این سیستم می‌تواند به یک برآمدگی کوچک روی یک فیبر نوری تبدیل شود. تمام نور لازم می‌تواند از طریق فیبر عبور کند، در حالی که سیگنال مادون قرمز در جهت مخالف بازمی‌گردد.

سپس اندازه‌گیری‌ها می‌توانند چندین متر دورتر از منبع سیگنال انجام شوند و امکان تشخیص محتاطانه و غیرتهاجمی را فراهم کنند. این سطح از دقت می‌تواند نحوه کالیبراسیون میدان‌های مایکروویو را متحول کند. همچنین ممکن است دری به سوی کاربردهای جدید، از حسگرهای مخفی گرفته تا گیرنده‌های کوانتومی مبتنی بر ماهواره، باز کند.

فناوری کوانتومی به فضا می‌رود

محققان ورشو سال‌هاست که روش‌های تشخیص مایکروویو مبتنی بر ریدبرگ را اصلاح می‌کنند. فناوری آنها به دلیل خودکالیبراسیون، حساسیت بالا و پتانسیل کوچک‌سازی خود برجسته است. این ویژگی‌ها توجه مؤسسات بین‌المللی مترولوژی، سازمان‌های دفاعی و آژانس‌های فضایی را به خود جلب کرده است.

از اوایل سال 2025، تیم دکتر پارنیاک با آژانس فضایی اروپا برای تجاری‌سازی گیرنده لیزری همکاری می‌کند. هدف، استقرار حسگرهای کوانتومی در ماهواره‌ها برای اندازه‌گیری‌های میدانی دقیق است. این تحقیق بخشی از پروژه SONATA17 لهستان و برنامه فناوری‌های نوری کوانتومی است که توسط اتحادیه اروپا تأمین مالی می‌شود.

این تلاش‌ها در کنار هم، عصر جدیدی را رقم می‌زنند که در آن ارتباطات رادیویی، که زمانی با فلز و الکتریسیته تعریف می‌شد، ممکن است به زودی کاملاً توسط نور تأمین شود.

آخرین تحقیقات چین ادعا می‌کند که دوران هواپیماهای رادارگریز غیرقابل ردیابی ممکن است به زودی به پایان برسد. گفته می‌شود تیمی از دانشمندان چینی از طریق شبیه‌سازی‌ها نشان داده‌اند که ماهواره‌های رادار فضایی می‌توانند جنگنده‌های رادارگریزی مانند F-22 Raptor و B-21 Raider را از مدار ردیابی کنند. هدفی که زمانی غیرممکن تلقی می‌شد.

این مطالعه که در ماه اکتبر منتشر شد، نشان می‌دهد که نوع جدیدی از سیستم ماهواره‌ای رادار دوقطبی می‌تواند نویز پس‌زمینه را از سطوح زمین و دریا سرکوب کند و به آن اجازه می‌دهد تا حتی در شرایط چالش‌برانگیز، نشانه‌های ضعیف رادار را شناسایی کند.

غلبه بر محدودیت‌های ماهواره‌های نوری

چین پیش از این توانایی خود را در شناسایی جت‌های رادارگریز با صورت فلکی ماهواره‌ای تجاری Jilin-1 نشان داده بود که با موفقیت یک F-22 را در حال پرواز از میان ابرها ردیابی کرد. اما سیستم‌های نوری توسط نور روز و آب و هوا محدود می‌شوند. آنها نمی‌توانند در شب کار کنند یا در مه، ابر یا طوفان نفوذ کنند.

برای استفاده نظامی واقعی، ماهواره‌های راداری بسیار قابل اعتمادتر هستند زیرا می‌توانند 24 ساعته و 7 روز هفته در هر شرایطی کار کنند. با این حال، سال‌ها کارشناسان معتقد بودند که تشخیص هواپیماهای رادارگریز از مدار تقریباً غیرممکن است زیرا سیگنال‌های رادار در میان بازتاب‌های دریاهای مواج یا کوه‌ها گم می‌شوند.

دستاوردی با سیستم دو ماهواره‌ای LT-1

در سال 2022، چین سیستم رادار دو ماهواره‌ای Ludi Tance No. 1 (LT-1) را راه‌اندازی کرد که در یک پیکربندی دوقطبی عمل می‌کند. یک ماهواره پالس‌های رادار را ارسال می‌کند در حالی که دیگری پژواک‌ها را دریافت می‌کند. این طراحی تداخل و درهم‌ریختگی پس‌زمینه را کاهش می‌دهد و توانایی تشخیص هواپیماهای پنهان یا کم‌رؤیت را بهبود می‌بخشد.

به گزارش South China Morning Post (SCMP)، تیم تحقیقاتی به رهبری چن جونلی، طراح ارشد ماهواره در آکادمی فناوری پرواز فضایی شانگهای (SAST)، نوشت: “وقتی هدف یک جسم متحرک کوچک است، RCS آن ذاتاً کوچک است و با توجه به برد تشخیص طولانی سیستم‌های رادار فضایی، سیگنال پژواک برگشتی بسیار ضعیف می‌شود و عملکرد تشخیص هدف را به شدت کاهش می‌دهد.”

این تیم تحقیقاتی به رهبری چن جونلی، طراح ارشد ماهواره در آکادمی فناوری پرواز فضایی شانگهای (SAST)، نوشت: “وقتی هدف یک جسم متحرک کوچک است، RCS آن ذاتاً کوچک است و با توجه به برد تشخیص طولانی سیستم‌های رادار فضایی، سیگنال پژواک برگشتی بسیار ضعیف می‌شود و عملکرد تشخیص هدف را به شدت کاهش می‌دهد.” چن و همکارانش فاش کردند: “برای پرداختن به این چالش، معماری رادار دوقطبی فضایی از یک ویژگی کلیدی بهره می‌برد: تحت زوایای دوقطبی آزیموت بزرگ، احتمال افزایش قابل توجه RCS برای هدف زیاد است.”

• مهندسان کیسه‌های هوای بزرگ برای هواپیماها پیشنهاد می‌دهند

این مطالعه یک هدف پنهان‌کار با سطح مقطع راداری (RCS) 10 متر مربع را شبیه‌سازی کرد که برای هواپیماهای پنهان‌کار مدرن هنگام مشاهده از بالا واقع‌بینانه است. این رادار از فرکانس باند L با توان انتقال 4 کیلووات استفاده کرد که با مشخصات شناخته شده LT-1 مطابقت دارد.

شبیه‌سازی‌ها به پتانسیل تشخیص در دنیای واقعی اشاره دارند

SCMP گزارش داد که شبیه‌سازی‌ها نشان داد که رادار دوقطبی می‌تواند به طور مؤثر نویز را کاهش داده و اهداف متحرک را با سرعت‌های پایین 50 کیلومتر در ساعت (31 مایل در ساعت) تشخیص دهد. محققان همچنین خاطرنشان کردند که گیرنده سیستم، که سیگنال‌ها را ارسال نمی‌کند، ایجاد اختلال در شبکه را دشوارتر می‌کند.

این تیم افزود: “توانایی ضد تداخل می‌تواند بهبود یابد زیرا گیرنده سیگنال‌ها را ارسال نمی‌کند.” این یافته‌ها توسط مؤسسات برتر چین که در توسعه LT-1 نقش داشتند، از جمله دانشگاه پلی‌تکنیک شمال غربی، دانشگاه جیائو تونگ شانگهای و SAST پشتیبانی شدند. آن‌ها با همکاری یکدیگر، مدل جدیدی را برای شبیه‌سازی دقیق‌تر پارازیت رادار نسبت به مدل‌های موجود ایجاد کردند.

تشخیص بهینه در زوایای بای‌استاتیک بین 30 تا 130 درجه رخ داد، جایی که پارازیت رادار حتی در دریاهای متلاطم نیز کمترین مقدار را داشت. این چیدمان نشان می‌دهد که معماری دو ماهواره‌ای چین، از نظر تئوری، می‌تواند بر نویز پس‌زمینه‌ای که زمانی هواپیماهای رادارگریز را از مدار نامرئی می‌کرد، غلبه کند.

یک نقطه عطف استراتژیک

اگر این تحقیق از طریق آزمایش‌های دنیای واقعی تأیید شود، می‌تواند استراتژی نظامی جهانی را تغییر دهد. جت‌های رادارگریز که مدت‌ها تصور می‌شد از فضا نامرئی هستند، اکنون ممکن است در دسترس رادارهای در حال چرخش باشند.

مجموعه رو به رشد ماهواره‌های رادار چین می‌تواند نظارت مداوم و در تمام شرایط آب و هوایی بر فعالیت‌های هوایی در مناطق وسیع را امکان‌پذیر کند. پیامدهای این امر بسیار زیاد است که هواپیماهای رادارگریز و حتی پهپادهای کم پرواز یا موشک‌های کروز به زودی می‌توانند از فضا قابل تشخیص باشند.

از آنجایی که سرعت ایجاد داده‌های دیجیتال از توانایی ذخیره آنها پیشی گرفته است، دانشمندان به راه‌حلی که در خود طبیعت یافت می‌شود، روی آورده‌اند: DNA. دانشمندان یک «نوار کاست DNA» آزمایشی را برای رسیدگی به بحران جهانی ذخیره‌سازی داده‌ها توسعه داده‌اند. راه حلی که شاید بهترین روش باشد.

این فناوری جدید از چگالی بالای DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید) برای ذخیره مقادیر عظیمی از داده‌ها در قالبی کوچک و بادوام استفاده می‌کند. محققان دانشگاه علوم و فناوری جنوبی در چین در مقاله‌ای که در تاریخ 10 سپتامبر منتشر شد، نوشتند: “نوار کاست DNA راهکاری برای ذخیره‌سازی سریع، فشرده و بزرگ داده‌های سرد یا گرم مبتنی بر DNA ارائه می‌دهد.”

ذخیره‌سازی داده‌ها در DNA

جهان در حال غرق شدن در داده‌ها است. هر کلیک، هر عکس، هر ویدیو سونامی بی‌پایانی از اطلاعات ایجاد می‌کند. راه‌حل‌های ذخیره‌سازی فعلی می‌توانند به زودی به محدودیت‌های خود برسند. هارد دیسک‌ها حجیم هستند، مقادیر زیادی انرژی مصرف می‌کنند و با گذشت زمان تخریب می‌شوند.

به همین دلیل است که متخصصان، DNA را به عنوان یک راه‌حل ذخیره‌سازی داده برای ذخیره حجم عظیمی از اطلاعات در قالبی کوچک که می‌تواند هزاران سال دوام بیاورد، بررسی کرده‌اند. این رویکرد، جایگزین بالقوه‌ای برای سرورها و هارد دیسک‌های استاندارد ارائه می‌دهد.

به عنوان مثال، گفته می‌شود که DNA یک سلول انسانی، ظرفیت ذخیره‌سازی نظری ۳.۲ گیگابایت، معادل ۶۰۰۰ کتاب، ۱۰۰۰ آهنگ یا دو فیلم، را در خود جای می‌دهد.

مطالعات مختلف قبلی، DNA را به عنوان یک رسانه ذخیره‌سازی بالقوه بررسی کرده‌اند. با این حال، چالش این بوده است که چگونه آن را به یک سیستم عملی و قابل دسترس تبدیل کنیم.

مطالعه جدید، راه‌حلی را ارائه می‌دهد که ایده‌ای نوستالژیک از دهه‌های ۸۰ و ۹۰ میلادی را به عاریت می‌گیرد: یک نوار کاست DNA که داده‌ها را درست مانند نوارهای صوتی قدیمی که موسیقی را ذخیره می‌کردند، ذخیره می‌کند.

• جذب دی اکسید کربن با استفاده از نور خورشید در یک دستاورد کم‌مصرف

یک نوار فیزیکی از مخلوط پلی‌استر و نایلون ساخته شد. پس از آن، الگوهای بارکد روی سطح آن چاپ شدند و میلیون‌ها بخش کوچک و قابل آدرس‌دهی – مانند پوشه‌های جداگانه در رایانه شما – ایجاد کردند. این طراحی نوآورانه می‌تواند به شما امکان دهد داده‌های دقیقی را که نیاز دارید، به سرعت پیدا کنید.

داده‌های دیجیتال به یک توالی DNA (با استفاده از بازهای A، C، G و T به عنوان کد) ترجمه شده و سپس روی نوار ذخیره می‌شوند. کد DNA بسیار شبیه کد دودویی کامپیوتر عمل می‌کند.

علاوه بر این، یک لایه کریستالی محافظ سپس روی نوار اعمال می‌شود تا از تخریب DNA جلوگیری شود. این امر تضمین می‌کند که ذخیره‌سازی DNA می‌تواند صدها یا حتی هزاران سال بدون برق دوام بیاورد.

عملکرد سیستم در این نوار کاست

این تیم با موفقیت توانایی سیستم را در ذخیره و بازیابی سریع یک تصویر دیجیتال نشان داد و عملکرد آن را برای ذخیره‌سازی سریع و در مقیاس بزرگ داده‌ها اثبات کرد.

در مقاله تحقیقاتی، آنها “عملکرد آن را با قرار دادن تصادفی تصاویر ناقص در پارتیشن داده‌ها تأیید کردند و یک عملیات حلقه بسته کاملاً خودکار شامل آدرس‌دهی، بازیابی، حذف، قرار دادن فایل بعدی و بازیابی مجدد فایل را نشان دادند که همگی در عرض ۵۰ دقیقه انجام می‌شوند”

PopSci گزارش داد که یک نوار کاست DNA به طول ۳۲۸ فوت ممکن است بیش از ۳ میلیارد آهنگ را در خود جای دهد، ظرفیتی بسیار فراتر از نوار کاست سنتی.

علاوه بر این، انتظار می‌رود دستگاه نمونه اولیه «۳۶ پتابایت» داده داشته باشد که معادل ذخیره‌سازی «۳۶۰۰۰ هارد دیسک» است. در صورت موفقیت، فناوری کاست DNA می‌تواند با ارائه روشی کارآمدتر و پایدارتر برای ذخیره مقادیر زیادی از داده‌ها بدون انرژی زیاد، یک راه‌حل مقیاس‌پذیر برای مراکز داده فراهم کند.

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.

• اولین میکروسکوپ صوتی جهان، ۵ برابر عمیق‌تر مغز را می‌بیند

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.”

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.

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

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.