من الفضاء إلى التكنولوجيا الصحية – الـ LCEs متعددة الاستخدامات بقدر ما هي مثيرة للاهتمام

لنبدأ بتناول الجوهر أولاً! ما هي الـ LCEs؟ حسنًا، LCEs تعني Elastomers سائلة بلورية – شبكات بوليمرية متشابكة تجمع بين خصائص المطاط المرنة وخصائص البلورات السائلة المتجانسة. العامل الأساسي الذي يدفع تفردها هو أن الوظائف المتعددة والاستجابة يمكن برمجتها في الـ LCEs عن طريق نمذجة توجيهها المحلي.

إنها صفة نادرة – يصعب تحقيقها في أنظمة المواد الأحادية الأخرى. وكما تشير مقالة مراجعة في مجلة Nature عام 2021، فإن التقدم في تخليق وتوجيه الـ LCEs جعل من الممكن دمجها وظيفيًا في مجالات متنوعة، بما في ذلك الروبوتات، والبصريات، والمنتجات الاستهلاكية، والطاقة، والرعاية الصحية. 

اليوم، نتعمق أكثر في هذه القدرة المتعددة للـ LCEs لنرى كيف تثبت قيمتها في مجموعة من المجالات، من الفضاء إلى التكنولوجيا الصحية. 

نهج الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد القابلة لتغيير الشكل باستخدام هياكل الـ LCE

قامت مجموعة من الباحثين من جامعة ولاية أوريغون بالمساعدة في تطوير نهج طباعة ثلاثية الأبعاد جديد للمواد القابلة لتغيير الشكل. في الواقع، يمكن أن تساعد هذه المواد القابلة لتغيير الشكل في تحسين تطبيقات الروبوتات من خلال مساعدتها على اكتساب جودة شبيهة بالروبوت. 
https://www.youtube.com/watch?v=AELLaL5zGEk
أثناء شرح خصائص الـ LCEs في هذا السياق، قال ديفين رواتش من كلية الهندسة بجامعة OSU:

“الـ LCEs هي محركات ناعمة. بما أنها ناعمة، وعلى عكس المحركات العادية، فإنها تعمل بشكل رائع مع أجسامنا الناعمة بطبيعتها. لذا يمكن استخدامها كأجهزة طبية قابلة للزرع، على سبيل المثال، لتوصيل الأدوية إلى مواقع مستهدفة، كدعامات لإجراءات في المناطق المستهدفة، أو كزرعات إحليلية تساعد في التحكم في السلس البولي.”

بشكل أكثر تحديدًا، البحث، كما نُشر في مجلة Advanced Materials، يوضح تحضير الـ LCEs باستخدام تقنيات التصنيع الإضافي (AM)، مع الاعتماد في الغالب على طباعة الحبر المباشر. وثق الباحثون تحضير الـ LCEs ذات السلسلة الرئيسية والمحاذاة عبر طباعة DLP ثلاثية الأبعاد باستخدام مجال مغناطيسي بقوة 100 ملتي تسلا.

أظهر الفحص المنهجي مساهمة قوة المجال المغناطيسي، ووقت المحاذاة، وسماكة طبقة البناء على درجة التوجيه في الـ LCEs المطبوعة ثلاثيًا. استنتج الباحثون أن طباعة DLP للـ LCEs المحاذاة يمكن أن تفتح فرصًا جديدة لتصنيع مواد مستجيبة للمحفزات بأشكال محسّنة للاستخدام الوظيفي في الروبوتات الناعمة وامتصاص الطاقة.

بينما قد يبدو كل هذا مصطلحات تقنية ومليئًا بالمعاني التقنية العالية، يمكن أن يكون فهم الـ LCEs أسهل إذا نظرنا إلى تطبيقاتها في الحياة الواقعية. أساسًا، يمكن للـ LCEs تغيير أشكالها استجابةً لتعرضها لبعض المحفزات، مثل الحرارة. باستخدام هذه الخاصية، يمكن للـ LCEs أن تُستَخدم لنقل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية بحيث يمكن تخزينها واستخدامها عند الطلب. 

المرونة الشبيهة بالعضلات التي تقدمها الـ LCEs يمكن أن تساعدنا على التقدم بشكل كبير في مجال الروبوتات الناعمة. هذه الروبوتات المرنة يمكن أن تدخل مناطق غير آمنة أو غير صالحة للبشر. وفقًا لديفين رواتش:

“لقد أظهرت أيضًا واعدة في مجال الفضاء كمنظمات للأنظمة الآلية مثل تلك المستخدمة في الإمساك بالفضاء العميق، ونشر الرادار، أو الاستكشاف خارج الأرض.”

DLP، الإنجاز الأساسي لهذا البحث، الذي تم تنفيذه بواسطة رواتش والمتعاونين في جامعة هارفارد، وجامعة كولورادو، ومختبرات سانديا ولورنس ليفرمور الوطنية، أظهر لنا طريقة لمحاذاة الجزيئات باستخدام مجال مغناطيسي أثناء نوع من الطباعة ثلاثية الأبعاد يُدعى المعالجة الضوئية الرقمية. كان من الضروري استغلال الـ LCEs بأقصى إمكاناتها لأن خصائص تغيير الشكل للـ elastomers السائلة البلورية تعتمد على محاذاة الجزيئات داخل المواد. المعالجة الضوئية الرقمية تستخدم الضوء لتصلب الراتنج السائل إلى أشكال صلبة بدقة.

أثناء تسليط الضوء على إنجازات الدراسة، قال رواتش إن محاذاة الجزيئات قد تكون المفتاح لإطلاق كامل إمكانات الـ LCE وتمكين استخدامها في ‘تطبيقات متقدمة ووظيفية’. وأكد رواتش أن عملهم فتح ‘إمكانيات جديدة لإنشاء مواد متقدمة تستجيب للمحفزات بطرق مفيدة، مما قد يؤدي إلى ابتكارات في مجالات متعددة.’

درس رواتش وزملاؤه مجموعة من المتغيرات. قاموا بتغيير قوة المجال المغناطيسي ونظروا في كيفية تأثيره على محاذاة الجزيئات إلى جانب عوامل أخرى، مثل سماكة طبقة الطباعة. تمكن الباحثون من طباعة أشكال معقدة من الـ elastomers السائلة البلورية تتغير بطرق محددة عند التسخين.

قاد رواتش أيضًا فريقًا مختلفًا من الباحثين لاستكشاف الإمكانات الميكانيكية لتخميد الـ LCEs. قد تكون الأبحاث ونتائجها مفيدة في تطوير ماصات صدمات أوتوماتيكية من الدرجة الأولى، ومخمدات زلزالية، ومخمدات اهتزاز على الجسور. 

بينما قد تساعد الأبحاث ونتائجها الـ LCEs على أن تصبح أداة أساسية في العديد من المجالات، فإن البحث حول هياكل الـ Liquid Crystalline Elastomer مستمر منذ فترة طويلة. في الفقرتين القادمتين، سنناقش بعض هذه الدراسات وكيف يمكن أن تؤثر على الابتكارات التكنولوجية حولنا.

الـ LCE والطباعة رباعية الأبعاد

في يونيو 2022، أظهر مقال بحثي نُشر في مجلة Materials Horizons، أن العلماء أظهروا أنه من خلال نمذجة الترتيب في الهياكل، تُظهر الـ LCEs تحريكًا عكسيًا عالي السرعة وعلى نطاق واسع استجابةً للمحفزات الخارجية، مما يسمح بدمج وثيق مع الطباعة رباعية الأبعاد وهياكل الأجهزة الرقمية، وهو ما يُلاحظ نادرًا في شبكات البوليمرات الناعمة المتجانسة.

جمع الباحثون معلومات حول التقدمات الأخيرة في طباعة الـ LCEs رباعية الأبعاد، مع التركيز على طرق التخليق والمعالجة التي مكنت من تغييرات دقيقة في توجيه الجزيئات وبالتالي أحدثت تغييرات ماكرو في خصائص الأشياء المستخدمة. استنتج البحث أن الجمع بين الـ LCE والطباعة رباعية الأبعاد قد يكون مفيدًا في مجالات الروبوتات الناعمة، والبصريات، والأجهزة الطبية الحيوية.

أداء الـ LCEs على استجابة الخلايا البيولوجية

بحث آخر، نُشر في مجلة ACS Applied Polymer Materials في يناير 2023، تناول هياكل وطرق تخليق الـ LCEs بالإضافة إلى علم المواد الحيوي لها مع التركيز على الخصائص الكيميائية والميكانيكية للخلايا من منظور جزيئي. بحثًا مهمًا، فحص العوامل مثل السلوك شبه البلوري للخلية، درجة ترتيب التوجيه في خلايا مختلفة، وإشارات طوبوغرافية ناتجة عن البلورات السائلة كعوامل تعزيز نمو الخلايا.
إلى جانب هذا البحث من قبل العلماء في المجال، أظهرت مختبرات بحثية مرموقة حول العالم أيضًا اهتمامًا بالـ LCEs وتطورها. سنناقش بعضًا من هذه المختبرات البحثية في الفقرات التالية ونحاول فهم سبب اعتبارهم للـ LCEs أمرًا حاسمًا.

تقييم الـ LCE من قبل مختبر نغوين: كلية جونز هوبكنز وهينغ للهندسة

المختبر يعتقد أن خصائص اللزوجة المرنة للـ LCEs يمكن استغلالها لتصميم مواد وهياكل تحويلية ذات سلوك تبديدي متطرف. أجرى المختبر دراسة لتطوير فهم أساسي لآليات الاسترخاء للـ LCEs ذات السلسلة الرئيسية لتمكين تصميم سلوكيات تبديدية استثنائية للمواد والهياكل عبر مقاييس طولية متعددة.
افترض الباحثون أن سلوك التبديد المتزايد للـ LCEs ينشأ من تزاوج ديناميكيات الاسترخاء للميزوجينات وشبكة البوليمر ويعتمد على ترتيب الميزوجين ومحاذاة السلسلة. وفقًا للمختبر، يمكن استغلال سلوك التبديد الداخلي في تصميم معماري لإنتاج هياكل ذات تخميد شديد وامتصاص للطاقة. 

عمل مختبر أيزينبرغ بجامعة هارفارد على الـ LCEs

رؤية المختبر كانت النظر إلى الـ LCEs كمواد تكيفية ذات برمجة على مقياس الجزيء يمكن أن تخلق فرصًا لتصميم مواد استجابة للجيل القادم بشكل عقلاني وقد تحول المجالات من العضلات الاصطناعية إلى الأسطح ذاتية التنظيف والأنظمة المتوازنة ذاتيًا.

وجد المختبر أن الـ LCEs مواد واعدة لتحقيق البرمجة المطلوبة وقدرات التشوه لأنها تتكون من جزيئات متجانسة تُعرف بالميزوجينات، مرتبطة تساهميًا بخلفية بوليمرية (الإلاستومر).

بينما توجد مجموعة متنوعة من الأساليب لتحديد محاذاة الميزوجينات، عادةً ما يستخدم فريق أيزينبرغ المجالات المغناطيسية لفرض اتجاه البلورة السائلة. يمكن تطبيق هذه الطريقة وبرمجتها داخل أي شكل ثلاثي الأبعاد، مما يسمح للباحثين بترميز أوضاع التشوه الماكرو على المستوى الجزيئي. 

مجموعة أيزينبرغ، النشطة كمختبر للبيومينرالايشن والبيوميمتيكس تحت رعاية كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد جون أ. بولسون، استخدمت الـ LCEs المحاذاة مغناطيسياً لإنشاء مجموعة متنوعة من الميكروهياكل متعددة الاستجابة مثل الأعمدة الدقيقة، الألواح الدقيقة، الهياكل الخلوية المتصلة، والمصفوفات المتقاربة.

المجموعة تتطلع إلى المضي قدمًا في أبحاثها لتوسيع فهمنا الأساسي للأنظمة ذاتية التنظيم، وكذلك توسيع هذه التصاميم إلى تطبيقات مثل المشغلات المتعددة الأنماط المستقلة في المواد اللاصقة القابلة للتبديل، تشفير المعلومات، الهوائيات المستقلة، أنظمة جمع الطاقة، الروبوتات الناعمة، والمباني الذكية.

بينما الأبحاث الفردية والبحوث المعملية حول الـ LCEs مستمرة، يمكن لبعض الشركات الاستفادة منها. سنستعرض الآن بعض هذه الشركات.

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم التصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد.

1. 3D Systems Corp 

الشركة التي تتصدر القائمة عندما نفكر في استغلال الأبحاث حول الـ LCEs على نطاق تجاري هي 3D Systems Corp (DDD ) . تغطي الشركة كامل طيف صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد، بدءًا من الطابعات ثلاثية الأبعاد، والمواد، والبرمجيات. لديها أوسع مجموعة من الطابعات ثلاثية الأبعاد التجارية، مما يتيح للشركات طباعة قطع بلاستيكية أو معدنية في نقطة الحاجة في جزء من الوقت مقارنة بعمليات التصنيع التقليدية.

تشمل مجموعة الشركة الواسعة والمتنوعة من مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد البلاستيك، الإلاستومر، المركب، الشمع، المعدن، المتوافق حيويًا، وأكثر. علاوة على ذلك، تضيف قيمة إلى النظام بأكمله من خلال برنامجها المدعوم بالذكاء الاصطناعي، المصمم للدقة في التصنيع الإضافي ومثالي للتطبيقات الصناعية والطبية.

تخدم الشركة أوسع نطاق ممكن من العملاء في صناعات مثل الفضاء والدفاع، السيارات، الطباعة الحيوية، التقاط الكربون، التكنولوجيا الاستهلاكية، والعديد غيرها. 

تمتلك الشركة مجموعة من المنتجات في فئة الإلاستومر، بما في ذلك DulaForm TPU Elastomer، وهو مادة إلاستومرية حرارية بلاستيكية ذات مرونة ووظيفة شبيهة بالمطاط. يمكن استخدامها للإنتاج منخفض إلى متوسط الكمية للسلع الاستهلاكية، تصنيع أجزاء مرنة للتطبيقات الصناعية، إنشاء نماذج أولية وظيفية للأنابيب والختمات، والنمذجة والإنتاج لمكونات الأحذية. 

توفر مادة 3D System Corp VisiJet® CE-NT أداءً إلاستومريًا من الدرجة الأولى للنمذجة الوظيفية لتلبية مجموعة من تطبيقات الهندسة والتصميم. لديها خصائص شد ممتازة، ولونها الشفاف الطبيعي يساعد على إنشاء نماذج تشبه الحياة للأناتوميا البشرية لتطبيقات النمذجة الطبية.

2. Teradyne, Inc.

تصنع شركة Teradyne, Inc. (TER ) معدات لاختبار أشباه الموصلات، الأجهزة اللاسلكية، وإلكترونيات معقدة أخرى. تُستخدم أدواتها في صناعات مثل السيارات، الفضاء، الدفاع، والإلكترونيات الاستهلاكية. إنها لاعب رئيسي في عالم الاختبار الآلي والأتمتة الصناعية.

في الربع الثالث من عام 2024، أبلغت الشركة عن إيرادات بقيمة 737 مليون دولار. جاء الجزء الأكبر منها—543 مليون دولار—من اختبار أشباه الموصلات، مع إضافة 89 مليون دولار من الروبوتات. جاءت المساهمات الأصغر من اختبار الأنظمة واختبار اللاسلكي بـ 73 مليون دولار و33 مليون دولار على التوالي.

يمكن للـ Liquid Crystalline Elastomers (LCEs) أن تلعب دورًا كبيرًا في تشكيل مستقبل Teradyne، خاصة في مجال الروبوتات. الـ LCEs مميزة لأنها يمكن أن تغير شكلها عند تعرضها للحرارة أو الضوء. هذا يجعلها مثالية للروبوتات الناعمة التي تحتاج إلى مرونة ودقة. إذا دمجت Teradyne الـ LCEs في روبوتاتها، قد تجعلها أكثر تكيفًا للصناعات التي تتطلب أتمتة متقدمة.

3. Zebra Technologies Corporation

تتميز Zebra Technologies Corporation (ZBRA ) في مجال الذكاء الاصطناعي للأصول المؤسسية، بأجهزة الكمبيوتر المحمولة، ماسحات الباركود، قارئات RFID، والطابعات المتخصصة، وتُستخدم في صناعات مثل التجزئة، الرعاية الصحية، التصنيع، واللوجستيات.

في الربع الثالث من عام 2024، سجلت Zebra إيرادات قدرها 1.26 مليار دولار، بزيادة 31٪ عن العام السابق. جاء ربح السهم المعدل 3.49 دولار، متجاوزًا التوقعات ومظهرًا نموًا قويًا.

يمكن أن تكون الـ Liquid Crystalline Elastomers إضافة مثيرة إلى مجموعة Zebra، حيث تتغير هذه المواد شكلها عند تعرضها للحرارة أو الضوء، مما يجعلها مثالية للاستخدام في الروبوتات الناعمة أو الأنظمة التكيفية الأخرى. إذا استكشفت Zebra هذه التقنية، قد تعزز من قابلية تكيف حلولها—وهو ما قد تجده الصناعات التي تتطلب أتمتة مرنة ذات قيمة. قد تسمح الـ LCEs لأنظمة Zebra بالعمل في بيئات أكثر تعقيدًا أو التعامل مع مهام لا تستطيع المواد التقليدية إنجازها.

مستقبل الـ LCEs

الـ LCEs مواد فريدة من نوعها حيث تجمع بين السلوك المتجانس للبلورات السائلة ومرونة المطاط للبوليمرات المتشابكة بخفة. المواد التقليدية ذات الذاكرة الشكلية ليست فعّالة كالـ LCEs في بناء المشغلات الناعمة. تتمتع الـ LCEs بخصائص ميكانيكية استثنائية، مرونة جيدة، سلوك متجانس، واستجابات شكلية عكسية. 

ومع ذلك، البحث حول الـ LCEs يحتاج إلى معالجة عدة ثغرات لتحقيق إمكاناته الكاملة. وجد الباحثون أنه بالنسبة للمواد الناعمة، مثل الـ LCEs، غالبًا ما توجد علاقة موازنة بين ميزات “إجهاد التحريك العالي” و”انفعال التحريك الكبير”، وكلاهما عوامل رئيسية تحدد أداء التحريك.

كما حدد الباحثون أنه بما أن معظم الـ LCEs حرارية، يصعب تحقيق استجابات متعددة المحفزات والتحكم عن بُعد، مثل المشغلات المدفوعة بالضوء. يركز معظم البحث الجاري في المجال على دمج مجموعة متنوعة من الحشوات النانوية الوظيفية (الحرارية الضوئية، المواد النانوية الكهروحرارية، إلخ) في مصفوفات الـ LCE لمعالجة هذه القضايا.

ومع ذلك، هناك شك بين الباحثين أن التشتت الضعيف للحشوات الوظيفية في مصفوفة الـ LCE والتفاعل الضعيف بين الحشوة والمصفوفة قد يؤدي إلى فصل الطور في المركبات، مما يضعف أداء المشغلات الناتجة. 

بينما يُعد بحثنا الحالي خطوة حسنة في هذا الاتجاه، لا يزال هناك شك حول الفهم الأساسي للعلاقة بين ترتيب الجزيئات وخصائص الفعل للـ LCEs. يرى الباحثون ذلك ك تحدٍ للتحكم الدقيق في تشوه أو حركة الـ LCEs.

تقنيات الطباعة ثلاثية ورباعية الأبعاد الجديدة التي تم تطويرها لمعالجة الـ LCEs إلى هياكل متطورة لا تزال تستهدف بناء معدات مخصصة دون حل جيد للإنتاج الضخم حتى الآن.

مع ذلك، من الجانب الإيجابي، الاهتمام بالـ LCEs في عالم العلوم والتكنولوجيا واضح. هناك انتشار متزايد للـ LCEs في بناء الأجهزة الذكية.

مع تزايد الاهتمام بأنواع جديدة من مواد الـ LCE، وتكنولوجيات التصنيع الدقيق ثلاثية/نانوية المتقدمة، ومخططات الفعل الجديدة، واستراتيجيات التلاعب المتطورة، قد تحقق المشغلات القائمة على الـ LCE تقدمًا سريعًا وتجد تطبيقات أكثر حداثة قريبًا.

انقر هنا لتتعرف على كل شيء حول الاستثمار في الطباعة ثلاثية الأبعاد.