دسته: علم و فناوری

دانشمندان روش‌های بی‌شماری را برای جذب کربن امتحان کرده‌اند. اما اگر چیزی به سادگی و فراوانی نور خورشید بتواند این کار را انجام دهد چه؟

استفاده از انرژی خورشیدی برای جداسازی و تبدیل CO₂ می‌تواند مصرف انرژی فرآیندهای سنتی را به‌طور چشمگیر کاهش دهد. «دستاورد کم‌مصرف» معمولاً به سیستمی اشاره دارد که از نور خورشید (به شکل فوتون یا گرما) برای فعال‌سازی واکنش‌های جذب/آزادسازی یا کاهش شیمیایی CO₂ استفاده می‌کند و نیاز به انرژی برقِ فسیلی یا گرمای با دمای بالا را حذف یا کمینه می‌کند.

ریچارد وای. لیو، استادیار دانشگاه هاروارد، روشی را توسعه داده است که از نور خورشید برای فعال کردن مولکول‌های آلی ویژه‌ای به نام فوتوبازها استفاده می‌کند. این مولکول‌ها یون‌های هیدروکسید تولید می‌کنند که می‌توانند CO₂ را به طور مؤثر از هوا جذب و آزاد کنند.

روش‌های فعلی برای جذب مستقیم هوا به مقادیر زیادی انرژی نیاز دارند. رویکرد لیو متفاوت است. با استفاده از خود نور به عنوان محرک، این فرآیند می‌تواند از نظر انرژی بسیار کارآمدتر شود. این کشف گامی به سوی راه‌حل‌های مقیاس‌پذیر برای حذف گازهای گلخانه‌ای است. لیو تأکید می‌کند که این روش برگشت‌پذیر است و می‌تواند به طور بالقوه تنها با نور خورشید تأمین شود.

مولکول‌ها کار را انجام می‌دهند

اشتیاق لیو به شیمی در کالج هاروارد آغاز شد. او که در ابتدا به فیزیک علاقه‌مند بود، خیلی زود متوجه شد که مجذوب ساخت مولکول‌ها در آزمایشگاه شده است. با راهنمایی اساتید تد بتلی و اریک جاکوبسن، او آموخت که به مولکول‌ها خلاقانه نزدیک شود و ریسک‌های حساب‌شده‌ای را بپذیرد.

لیو در طول دوره دکترای خود در MIT به همراه استیون بوخوالد، کاتالیزورهای جدیدی اختراع کرد که امکان ساخت مولکول‌های پیچیده از بلوک‌های ساختمانی ساده را فراهم می‌کرد. این پایه اکنون کار آزمایشگاه او را در هاروارد هدایت می‌کند.

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

آزمایشگاه لیو بر طیف وسیعی از چالش‌ها تمرکز دارد. تحقیقات آنها شامل شیمی آلی و معدنی و همچنین علم مواد است. این تیم بر روی پلتفرم‌های ردوکس آلی، کاتالیزورهای مبتنی بر فلز و مولکول‌هایی که گازهای گلخانه‌ای را جذب می‌کنند، کار می‌کند.

پروژه اخیر پایگاه عکس، همکاری با دانیل جی. نوسرا، استاد انرژی پترسون راک‌وود بود. این کار، نمونه‌ای از تمرکز لیو بر راه‌حل‌های عملی است. این آزمایشگاه، شیمی‌دانان، مهندسان و دانشمندان مواد را گرد هم می‌آورد که هر کدام تخصص منحصر به فردی دارند.

نور، جذب کربن را تقویت می‌کند

جذب مستقیم هوا در مبارزه با تغییرات اقلیمی بسیار مهم است، اما روش‌های پرانرژی، پذیرش گسترده محدودی دارند. رویکرد لیو یک جایگزین کم‌انرژی ارائه می‌دهد. با طراحی مولکول‌هایی که حالت شیمیایی خود را در زیر نور خورشید تغییر می‌دهند، تیم او مسیری را به سمت یک راه‌حل با انرژی خورشیدی نشان می‌دهد.

این پروژه در درجه اول توسط جایزه NSF CAREER لیو تأمین مالی شد. اگرچه اختلالات اخیر در بودجه فدرال چالش‌هایی ایجاد کرده است، اما حمایت‌های هاروارد باعث ادامه تحقیقات شده است.

این آزمایشگاه فراتر از کاربردهای عملی، یک مأموریت آموزشی را انجام می‌دهد. لیو تأکید می‌کند که این کار به دانشجویان فرصت‌هایی برای بررسی ایده‌های جسورانه، کسب تجربه عملی و تولید پایان‌نامه‌های کاملی می‌دهد که آنها را برای مشاغل علمی آینده آماده می‌کند.

لیو امیدوار است که سرمایه‌گذاری مداوم در علم، امکان انتقال اکتشافاتی مانند پایگاه‌های عکس از آزمایشگاه به دنیای واقعی را فراهم کند. او خاطرنشان می‌کند که تحقیقات در دانشگاه‌ها ممکن است سودآور نباشد، اما می‌تواند برای نسل‌ها مزایای اجتماعی به همراه داشته باشد.

تیم لیو با نور خورشید به عنوان کاتالیزور، گامی مهم در تلاش برای هوای پاک‌تر برداشته است. نوآوری آنها نشان می‌دهد که چگونه شیمی خلاق می‌تواند به حل یکی از مهم‌ترین مشکلات سیاره کمک کند.

چرا «کم‌مصرف» ممکن است واقعی باشد

• انرژی گرمایی خورشیدی (خصوصاً برای آزادسازی در دماهای پایین) از انرژی الکتریکی ارزان‌تر و در دسترس‌تر است.
• حذف یا کاهش مراحل فشرده‌سازی، بازیابی حرارت و برق‌مصرفی می‌تواند مقدار انرژی مورد نیاز به ازای هر تن CO₂ را کاهش دهد.
• بازیافت مستقیم CO₂ به مواد با ارزش افزوده باعث می‌شود «هزینه خالص» کاهش یابد و سیستم اقتصادی‌تر شود.

وای‌فای شما اکنون می‌تواند کاری بیش از پخش فیلم انجام دهد؛ می‌تواند ضربان قلب شما را حس کند. مهندسان دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، سیستمی را توسعه داده‌اند که سیگنال‌های بی‌سیم روزمره را به یک ابزار پزشکی تبدیل می‌کند.

تحقیقات اثبات مفهوم نشان می‌دهد که یک فرستنده و گیرنده وای‌فای ساده می‌تواند ضربان قلب را با دقت سطح بالینی و بدون نیاز به هیچ ساعت هوشمند، بند سینه یا مانیتور بیمارستانی اندازه‌گیری کند. این فناوری که Pulse-Fi نام دارد، از سخت‌افزار ارزان‌قیمتی که در حال حاضر در خانه‌ها و محل‌های کار یافت می‌شود، استفاده می‌کند.

با اعمال الگوریتم‌های یادگیری ماشینی بر روی سیگنال‌های وای‌فای، این سیستم تغییرات ضعیف ناشی از ضربان قلب را تشخیص می‌دهد و نویزهای پس‌زمینه مانند حرکت یا تداخل محیطی را فیلتر می‌کند.

محققان این سیستم را روی ۱۱۸ شرکت‌کننده آزمایش کردند و به نتایجی تقریباً مشابه با مانیتورهای سنتی دست یافتند. تنها پس از پنج ثانیه پردازش سیگنال، Pulse-Fi ضربان قلب را با حاشیه خطای نیم ضربان در دقیقه اندازه‌گیری کرد. نظارت طولانی‌تر، صرف نظر از اینکه شرکت‌کنندگان نشسته، ایستاده، دراز کشیده یا در حال راه رفتن بودند، دقت را بیشتر بهبود بخشید.

وای‌فای ضربان قلب را ثبت می‌کند

ضربان قلب یکی از اساسی‌ترین معیارهای سلامت است که با استرس، هیدراتاسیون و تناسب اندام مرتبط است. با این حال، معمولاً برای نظارت بر آن به دستگاه‌های پوشیدنی یا دستگاه‌های بالینی نیاز است. پالس-فای آینده‌ای را نشان می‌دهد که در آن روترهای وای‌فای به عنوان ردیاب‌های سلامت غیر مزاحم عمل می‌کنند.

نایان باتیا، دانشجوی دکترا که به همراه استاد علوم کامپیوتر، کاتیا اوبراچکا، رهبری این پروژه را بر عهده داشت، گفت: “نتایج ما نشان می‌دهد که این می‌تواند در محیط‌های روزمره، بدون موقعیت‌یابی خاص یا تجهیزات گران‌قیمت، کار کند.”

این تیم به تراشه‌های ESP32 فوق‌العاده کم‌هزینه که با قیمت 5 تا 10 دلار به فروش می‌رسند و بردهای Raspberry Pi که حدود 30 دلار قیمت دارند، متکی بود. حتی در این قیمت‌ها، سیستم دقیق عمل کرد. محققان گفتند که استفاده از روترهای تجاری احتمالاً عملکرد را حتی بالاتر می‌برد.

زندگی دوم برای سیگنال‌های وای‌فای

این سیستم با تجزیه و تحلیل نحوه رفتار امواج فرکانس رادیویی هنگام عبور از فضا کار می‌کند. وقتی سیگنال‌های وای‌فای با بدن انسان برخورد می‌کنند، تا حدی جذب و پراکنده می‌شوند.

ضربان قلب باعث تغییرات ظریف اما قابل تشخیص در این سیگنال‌ها می‌شود. الگوریتم‌های Pulse-Fi با آموزش روی داده‌های واقعی جمع‌آوری‌شده با اکسی‌مترهای استاندارد، یاد گرفتند که این تغییرات را تشخیص دهند.

• اینترنت گردی وقتی روی توالت نشستید، ایده خوبی نیست

محققان برای ساخت یک مجموعه داده، آزمایش‌هایی را در کتابخانه علوم و مهندسی دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، راه‌اندازی کردند. آن‌ها نوسانات سیگنال WiFi را با اندازه‌گیری‌های واقعی ضربان قلب مقایسه کردند و به شبکه عصبی خود آموختند که این دو را ترسیم کند. این گروه همچنین روش خود را با یک مجموعه داده موجود از محققان برزیلی که از دستگاه‌های Raspberry Pi استفاده می‌کردند، آزمایش کردند و دقت آن را بیشتر تأیید کردند.

فراتر از نبض

این تیم در حال حاضر روی گسترش سیستم برای ردیابی میزان تنفس کار می‌کند، که می‌تواند به تشخیص شرایطی مانند آپنه خواب کمک کند. نتایج اولیه و منتشر نشده نویدبخش هستند.

آنها همچنین دریافتند که Pulse-Fi می‌تواند ضربان قلب را از فاصله تا سه متر – تقریباً 10 فوت – به طور دقیق اندازه‌گیری کند و به لطف مدل یادگیری ماشین، عملکرد با افزایش فاصله کاهش نمی‌یابد.

«پرانای کوچتا»، محقق دبیرستانی که از طریق برنامه کارآموزی علوم دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، به این پروژه پیوسته است، گفت: “آنچه ما دریافتیم این بود که فاصله اساساً هیچ تأثیری ندارد، که این یک چالش بزرگ برای رویکردهای قبلی بود.”

یافته‌های این مطالعه در مجموعه مقالات کنفرانس بین‌المللی IEEE 2025 در مورد محاسبات توزیع‌شده در سیستم‌های هوشمند و اینترنت اشیا (DCOSS-IoT) منتشر شده است.

طبق گزارش سازمان بهداشت جهانی، فشار خون بالا بیش از ۱.۳ میلیارد نفر در سراسر جهان را تحت تأثیر قرار می‌دهد، با این حال تنها حدود یک نفر از هر پنج نفر آن را به طور مؤثر مدیریت می‌کند.

این بیماری که اغلب “قاتل خاموش” نامیده می‌شود، خطر بیماری قلبی، سکته مغزی و سایر مشکلات جدی سلامتی را افزایش می‌دهد. نظارت منظم بسیار مهم است، اما دستگاه‌های رایج در این زمینه ناکارآمد هستند.

مانیتورهای معمولی مبتنی بر کاف، حجیم هستند، نیاز به باد شدن دارند و فقط یک بار فشار خون را اندازه‌گیری می‌کنند. آنها می‌توانند برای استفاده روزانه ناراحت کننده باشند و در صورت قرار دادن نادرست یا استفاده در هنگام استرس بیمار، ممکن است نتایج نادرستی ارائه دهند.

چنین محدودیت‌هایی، ردیابی مداوم فشار خون را در طول فعالیت‌های عادی، ورزش یا خواب دشوار می‌کند. یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه ملی سئول (SNU) معتقد است که پاسخی برای این سوال دارد. این گروه به رهبری پروفسور سونگ هوان کو از آزمایشگاه الکترونیک نرم پوشیدنی در بخش مهندسی مکانیک، یک پچ الکترونیکی نرم و قابل نصب روی پوست ایجاد کرده‌اند که می‌تواند فشار خون را در زمان واقعی ردیابی کند.

فراتر از کاف

این پچ مانند یک بانداژ به پوست متصل می‌شود و فشار خون را با استفاده از اصولی متفاوت از کاف‌ها اندازه‌گیری می‌کند. این پچ، تأخیر جزئی بین سیگنال‌های الکتریکی از قلب که تقریباً فوراً به مچ دست می‌رسند و پالس مکانیکی که با عبور خون از شریان‌ها کسری دیرتر می‌رسد را ثبت می‌کند.

این تأخیر با افزایش فشار خون کوتاه و با کاهش آن طولانی‌تر می‌شود. ثبت این حرکات ظریف پوست نیاز به یک حسگر بسیار حساس و انعطاف‌پذیر داشت. این تیم به فلز مایع روی آورد که در دمای اتاق سیال باقی می‌ماند، الکتریسیته را به خوبی هدایت می‌کند و خاصیت ارتجاعی مشابه پوست دارد.

با این حال، کشش سطحی بالای آن، شکل‌دهی آن را به مدارهای دقیق دشوار می‌کند. برای غلبه بر این مشکل، محققان از “ذوب لیزری” استفاده کردند، فرآیندی که ذرات فلز مایع را با پرتو لیزر به هم جوش می‌دهد. این به آنها اجازه داد تا مدارهای ظریف و انعطاف‌پذیر را دقیقاً در جایی که نیاز است بدون مواد شیمیایی اضافی ترسیم کنند.

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

بادوام و دقیق

پچ نهایی می‌تواند تا هفت برابر طول اولیه خود کشیده شود و بیش از 10000 چرخه کشش را بدون از دست دادن عملکرد تحمل کند. در آزمایش‌ها، این دستگاه تغییرات سریع فشار خون را قبل و بعد از ورزش به طور دقیق ردیابی کرد و عملکرد بهتری نسبت به یک کاف استاندارد داشت.

کو می‌گوید این کار، این ایده را که فشار خون فقط باید یک بار در روز در یک محیط بالینی اندازه‌گیری شود، به چالش می‌کشد. او معتقد است که این فناوری می‌تواند برای نظارت بر مراقبت‌های ویژه، ایمنی محل کار و ردیابی سلامت شخصی تطبیق داده شود.

این پچ می‌تواند به ویژه برای بیماران مبتلا به فشار خون بالا مفید باشد و آنها را قادر می‌سازد تا وضعیت خود را در هر زمان و هر مکان پیگیری کنند. همچنین می‌تواند با نظارت بر نحوه واکنش فشار خون به تمرین، به ورزشکاران و علاقه‌مندان به تناسب اندام کمک کند.

جونگ جائه پارک و سانگوو هونگ، نویسندگان مشترک این مقاله، در حال کار بر روی ادغام پچ با مواد جدید، ارتباطات بی‌سیم و تجزیه و تحلیل مبتنی بر هوش مصنوعی هستند. هدف این است که این فناوری کاربردی‌تر و به طور گسترده در دسترس قرار گیرد.

دانشگاه ملی سنگاپور (SNU) انتظار دارد که این نوآوری، تغییر به سمت مراقبت‌های بهداشتی هوشمند را تسریع کند، جایی که افراد می‌توانند به جای تکیه صرف بر ویزیت‌های بیمارستان، از بیماری‌ها جلوگیری کرده و سلامت خود را در زندگی روزمره مدیریت کنند.

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.”

• تابستان امسال پر از روزهای کوتاه از نظر علمی

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.

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.

• پیشرفت چشمگیر در متد کریسپر : ویرایش همزمان چندین ژن

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.

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.

• سازه ای که وقت کشش، به جای باز شدن جمع میشود

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.

محققان در هلند ساختارهای مکانیکی ایجاد کرده‌اند که به طرز عجیبی کوچک می‌شوند (یا به طور دقیق‌تر، به سمت داخل می‌شکنند) به جای اینکه هنگام کشش به سمت بیرون کشیده شوند.

به نظر غیرممکن می‌رسد، اما در واقع به ایده‌های طراحی بدیع تیم موسسه تحقیقات فیزیک هلند AMOLF بستگی دارد که هندسه و مکانیک را با هم ترکیب می‌کنند تا این رفتار غیرمنتظره را نشان دهند، با پتانسیل غلبه بر ناپایداری‌های نامطلوب.

باس اوورولده، محقق اصلی گروه ماده رباتیک نرم، گفت: “این نوع جدید رفتار  (که ما آن را “هم‌تنیدگی متقابل” می‌نامیم) قبلاً هرگز در آزمایش‌ها دیده نشده است. این می‌تواند نحوه طراحی همه چیز را از دستگاه‌های رباتیک پزشکی گرفته تا ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله متحول کند.”

خیلی جالب است، نه؟ این رفتار هم‌تنیدگی متقابل، که اواسط سال در مجله PNAS مستند شده است، از طریق طراحی و مونتاژ ساختارهای مکانیکی خاصی که از غیرخطی‌های هندسی بهره می‌برند، تحقق می‌یابد. اصل اصلی ایجاد سیستمی است که یک رابطه خود متقاطع نیرو-جابجایی را نشان می‌دهد، جایی که انقباض ناگهانی تحت کشش فزاینده رخ می‌دهد، یا افزایش ناگهانی نیروی کششی تحت کشش فزاینده اتفاق می‌افتد.

با ترکیب سه نوع مختلف از بلوک‌های سازنده غیرخطی – که هر کدام رفتارهای نیرو-کشش خاصی را نشان می‌دهند. در یک چیدمان شبکه‌ای، تیم توانست یک سیستم ضدانفجار ایجاد کند. در مثال بالا، قطعات به صورت سه‌بعدی چاپ شده‌اند.

• پلیمرهای انعطاف پذیر که میتواند جایگزین پلاستیک های سمی شود

این عناصر ضدانفجار با هم، مجموعه‌ای از خواص مکانیکی جالب را آشکار می‌کنند:

• حرکت چسبندگی-لغزش یک‌طرفه: برخلاف حرکت ضربه‌ای معمولی که باعث حرکت در جهت‌های مخالف تحت بارگذاری چرخه‌ای می‌شود، حرکت ضدانفجار حرکت در همان جهت را امکان‌پذیر می‌کند و امکان حرکت افزایشی را فراهم می‌کند که به طور مداوم در یک جهت حرکت می‌کند.
• سختی قابل تغییر: سازه می‌تواند در یک نقطه خاص که دارای کشش و نیروی اعمال شده یکسانی است، بین سطوح مختلف سختی تغییر کند. این بدان معناست که می‌توانید میزان مقاومت آن در برابر تغییر شکل را بدون تغییر اندازه فعلی یا باری که حمل می‌کند، تغییر دهید.
• اجتناب از رزونانس غیرفعال: از آنجا که سختی را می‌توان بدون تغییر حالت تعادل تغییر داد، می‌توان از ضدانفجار برای تغییر خودکار فرکانس ارتعاش طبیعی یک سیستم استفاده کرد. این می‌تواند به محافظت از سیستم در برابر ارتعاشات بیش از حد در فرکانس‌های خاص کمک کند.
• تغییر متوالی سختی: وقتی چندین عنصر ضد چفت شدن به صورت پهلو به پهلو (به صورت موازی) به هم متصل می‌شوند، سختی آنها می‌تواند یکی پس از دیگری تغییر کند.
• تغییر لحظه‌ای جمعی: وقتی چندین عنصر ضد چفت شدن به صورت انتها به انتها (به صورت سری) به هم متصل می‌شوند، می‌توانند حالت خود را به طور همزمان تغییر دهند، مانند یک بهمن.

محققان معتقدند که ضربه متقابل می‌تواند در تجهیزات حفاظتی و پروتزهایی که می‌توانند برای پشتیبانی از انعطاف‌پذیری به سفتی تغییر کنند (شبیه تجهیزات ایمنی موتورسیکلت) و کاربردهای کاهش ارتعاش در ساختمان‌ها و هواپیماها مفید باشد. آنها همچنین می‌توانند ربات‌های پزشکی نرم را قادر سازند تا با حرکت به جلو بدون لغزش به عقب، با خیال راحت در بدن حرکت کنند.

محققان چینی به رهبری پروفسور دوان فنگ از دانشگاه نانکای، چیزی را که آنها اولین آزمایش انسانی رابط مغز و رایانه در جهان می‌نامند، انجام داده‌اند که از طریق رگ‌های خونی کاشته می‌شود و به یک بیمار فلج امکان حرکت اندام‌هایش را می‌دهد.

مردی ۶۷ ساله که شش ماه پیش بر اثر سکته مغزی از یک طرف فلج شده بود و با وجود توانبخشی، بهبودی کندی داشت، تحت عمل کاشت رابط مغز و رایانه قرار گرفت تا به بازیابی حرکت کمک کند. به گفته دانشگاه، جراحان با هدایت تصویربرداری با دقت بالا، یک الکترود استنت را از طریق یک روش کم تهاجمی از طریق رگی در گردن او وارد رگ‌های خونی مغز او کردند.

این کاملاً برخلاف رویکردی است که توسط نورالینک ایلان ماسک اتخاذ شده است، که نیاز به جراحی برای اتصال بخش‌هایی از مغز به تراشه دارد.

ایمپلنت مغز و رایانه به بیمار سکته مغزی چینی مبتلا به همی پلژی کمک می‌کند

در این روش، استنتی با الکترودهای ضخیم ۵۰ میکرومتری در امتداد دیواره رگ قرار داده شد. این الکترودها از طریق یک سیم راهنما در قفسه سینه به یک دستگاه بی‌سیم کاشته شده در زیر پوست متصل می‌شوند و امکان جمع‌آوری و انتقال سیگنال‌های EEG را فراهم می‌کنند.

دوان توضیح داد که این تیم BCI مداخله‌ای را با تحریک الکتریکی عملکردی ادغام کرده و امکان تنظیمات بلادرنگ در درمان را فراهم کرده است. این روش از آموزش حرکتی پشتیبانی کرده و نوروپلاستیسیته را افزایش داده و منجر به حرکات پایدار و طبیعی اندام‌ها شده است.

رسانه‌های چینی گزارش دادند که پس از درمان، بیمار دوباره توانایی گرفتن داوطلبانه را به دست آورد و توانست کارهای روزانه مانند برداشتن دارو را بدون عوارض جانبی مانند عفونت یا ترومبوز انجام دهد. قبل از شروع آزمایش‌های انسانی، این تیم مطالعات گسترده‌ای را روی حیوانات انجام داد که فناوری BCI را با تحریک الکتریکی عملکردی ترکیب می‌کردند. محققان در سال 2022 با استفاده از BCI برای کنترل حرکات گوسفند پس از نقشه‌برداری از سیگنال‌های الکتریکی آن، پیشرفت قابل توجهی داشتند.

سال بعد، الکترودهای کاشته شده در سینوس ساژیتال فوقانی یک میمون، آن را قادر ساخت تا با استفاده از یک بازوی رباتیک که توسط سیگنال‌های فکری از قشر حرکتی کنترل می‌شود، خود را تغذیه کند. دوان در بیانیه دانشگاه تأکید کرد که این آزمایش انسانی اولین کاشت BCI در جهان است که از طریق جراحی مداخله‌ای انجام می‌شود.

• این حسگر (استیکر) پوستی میتواند حس های پنهان را نمایان کند

آزمایش‌های بالینی رو به رشد BCI چین، جهشی نسبت به رقبای آمریکایی را نشان می‌دهد

به گفته دانشمند چینی، چنین پیشرفتی راه را برای استفاده گسترده در آینده هموار می‌کند و امید تازه‌ای را برای بیماران مبتلا به اختلالات حرکتی مانند اختلالات ناشی از سکته مغزی به ارمغان می‌آورد.

علاوه بر این، فناوری BCI چین به سرعت فراتر از قابلیت‌های فعلی ایالات متحده در حال پیشرفت است و آزمایش‌های بالینی در چندین شهر و دانشگاه گسترش می‌یابد. روزنامه South China Morning Post می‌نویسد، در حالی که شرکت آمریکایی Synchron (که توسط میلیاردرهای بیل گیتس و جف بزوس پشتیبانی می‌شود) 10 عمل جراحی مداخله‌ای انسانی انجام داده است، BCI آن فقط از فعالیت‌هایی مانند پست‌های رسانه‌های اجتماعی، موسیقی و بازی‌ها در دستگاه‌های اپل پشتیبانی می‌کند، بدون اینکه عملکردهای حرکتی را بازیابی کند.

بنابراین، موفقیت این آزمایش در چین نه تنها ایمنی و اثربخشی BCI کم تهاجمی را تأیید می‌کند، بلکه در را برای کاربردهای در مقیاس بزرگتر در آینده نیز باز می‌کند. در اوایل ماه مارس، دانشگاه فودان از چهار جراحی رابط نخاعی کم تهاجمی خبر داد که به اولین بیمار کاملاً فلج جهان اجازه ایستادن و راه رفتن داد.

دو ماه بعد، دومین بیمارستان وابسته به دانشگاه ژجیانگ اولین کاشت رابط عصبی نخاع حلقه بسته در کشور را انجام داد و به یک بیمار فلج مغزی امکان راه رفتن و استفاده مستقل از حمام را داد.

دولت چین در حال پیشبرد استفاده بالینی از رابط‌های مغز و کامپیوتر (BCI) است. در ماه مارس، اداره ملی بیمه پزشکی یک دسته بیمه جدید برای فناوری BCI ایجاد کرد تا دسترسی و پوشش را بهبود بخشد. سپس، در 31 مارس، اداره بیمه پزشکی استان هوبی اولین دستورالعمل‌های قیمت‌گذاری کشور را برای رویه‌های BCI، از جمله کاشت و تطبیق، تعیین کرد که گامی کلیدی به سوی پذیرش گسترده‌تر است.