التعلم من الطبيعة – التحكم في الضوء بمساعدة القمل النباتية

د دراسة جديدة بقيادة باحثين في جامعة بنسلفانيا الحكومية وجدت أن الجسيمات الصغيرة التي يفرزها القمل النباتية، والتي توجد عادةً في حدائقنا الخلفية، يمكن أن تساعدنا في بناء تكنولوجيا الجيل التالي. 

نُشرت مؤخرًا في مجلة PANAS، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية، وقد نجح الباحثون للمرة الأولى على الإطلاق في استنساخ الهندسة الدقيقة للجزيئات الغامضة المسماة بروكوزومات، وفهم كيفية امتصاصها للضوء.

الواقع أن العديد من المواد الوظيفية الطبيعية تتكون من هياكل دقيقة ونانية هرمية تشكل أجزاءً أساسية من الأسطح البيولوجية. القمل النباتية، على وجه الخصوص، تفرز بروكوزومات وتستخدمها كمواد قابلة للنشر على أسطح أجسامها.

البروكوزومات هي كرات مجوفة ذات شكل كرة باكي مع ثقوب تمر عبرها، ينتجها القمل النباتية. إنها مجوفة ونانوية، أي أنها صغيرة جدًا وتبلغ أبعادها على مقياس النانومتر، وهو أحد مليارات المتر. هذه الجسيمات الكارهة للماء تُفرزها القمل النباتية وتوجد على سطح أجسامها. 

على الرغم من اكتشافها لأول مرة في خمسينيات القرن الماضي، لا يزال فهمنا لأهمية الهندسة الوظيفية للبروكوزومات غير مكتمل، وهذا ما تسعى هذه الدراسة إلى تغييره.

قاد الدراسة البروفيسور تاك-سينغ وونغ، أستاذ الهندسة الطبية والهندسة الميكانيكية في جامعة بنسلفانيا. وقد وجد أن الثقوب التي تمر عبر البروكوزومات يمكن أن تساعد في تقليل انعكاس الضوء. وهذا يمثل أول مثال بيولوجي يُظهر وظيفة مضادة للانعكاس ذات مرور منخفض للضوء قصير الموجة، أي طلاء بصري يقلل الانعكاس في نطاق معين من الأطوال الموجية القصيرة بينما يسمح بمرور الأطوال الموجية الأطول.

وفقًا للدراسة، قد تسمح الهندسة الفريدة للبروكوزومات بتطوير مواد بصرية مستوحاة من الطبيعة (مواد دقيقة الصنع ومستجيبة مستوحاة من الهياكل الطبيعية الموجودة في الكائنات الحية).

هذا التطور يختلف عن تأثير عيون العثة المضاد للانعكاس، الذي ألهم طلاءات فعّالة للغاية للاستخدام في الألواح الشمسية والهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر اللوحية. عيون العث غير عاكسة بسبب بنية سطحها الدورية على المستوى النانوي، مما يجعل الضوء الساقط يتشتت في اتجاهات عشوائية. وبالتالي، بدلاً من الانعكاس، ينتقل الضوء إلى داخل العين.

لذلك، توفر بروكوزومات القمل النباتية نهجًا مميزًا للتلاعب البصري المستوحى من الطبيعة، مع تطبيقات محتملة في الطلاءات، وأجهزة التمويه غير المرئية، وجمع الطاقة الشمسية بشكل أكثر كفاءة.

استنساخ الهياكل المعقدة للبروكوزومات

نظرًا للفهام المحدود للهندسة الفريدة للبروكوزومات، وتواجدها المستمر عبر أنواع مختلفة من القمل النباتية، والشكوك حول أحجامها وثقوبها التي تتراوح عادةً بمئات النانومترات، قام الباحثون في جامعة بنسلفانيا بهذه الدراسة لاكتشاف هذه الألغاز وتوضيح أهميتها لهذه الأنواع.

عمل الفريق على هذا المشروع لعدة سنوات الآن. في عام 2017، كان ذلك في الواقع أول مرة يتم فيها تطوير نسخة صناعية من البروكوزومات لفهم وظيفتها بشكل أفضل.

كان تصنيع هذه البروكوزومات في المختبر مهمة صعبة على الرغم من أن العلماء عرفوا عنها منذ زمن طويل. يعود ذلك إلى التعقيد الهندسي لهذه الجسيمات. كما كان غير معروف لماذا تُفرز هذه الحشرات الخلفية جسيمات ذات هياكل معقدة كهذه.

حتى قبل سنوات، بينما تم تقليد ميزات البروكوزومات مثل الحفر وتوزيعها باستخدام مواد صناعية، لم يتمكن الباحثون من إنشاء نسخة مطابقة تمامًا. الآن هي المرة الأولى التي يتمكن فيها الفريق من استنساخ الهندسة الدقيقة للبروكوزوم الطبيعي بحجم مُقاس يبلغ 20,000 نانومتر.

لإنشاء هذه الهياكل المعقدة في المختبر، استخدم فريق البحث طريقة طباعة ثلاثية الأبعاد متقدمة. استُخدم طباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية بوليمرة الفوتون الثنائي (2PP) لتصنيع نسخ صناعية عالية الدقة من البروكوزومات.

أشارت الدراسة إلى أن أفضل طابعات ثلاثية الأبعاد يمكنها إنشاء أجسام بدقة تتراوح بين 200 نانومتر إلى 500 نانومتر، لكنها لا تستطيع استنساخ الهندسة النانوية للبروكوزومات الطبيعية، التي تتراوح بين ~300 نانومتر إلى 600 نانومتر. لذا، استخدموا تقنية نموذج التحجيم ثم صَنَعوا بروكوزومات صناعية دقيقة كنظام نموذجي.

صُممت البروكوزومات الصناعية وثقوبها بقطر حوالي 20 ميكرومتر و5 ميكرومتر على التوالي، لضمان أن تكون الهياكل المطبوعة أكبر بكثير من دقة الطابعة ثلاثية الأبعاد. احتوت البنية الناتجة على 12 ثقبًا خماسيًا و20 ثقبًا سداسيًا متصلة عبر نواة مجوفة. بينما كان سمك القشرة 7٪ من القطر الكلي، كان سمك جدار الثقب 20٪، محاكياً البروكوزومات الطبيعية.

تكوّن العينة المصنّعة أيضًا مصفوفة من 20 × 20 بروكوزوم صناعي في شبكة HCP أدت إلى كثافة تعبئة تبلغ حوالي 91٪. كما تم تصنيع عينة تحكم لا تحتوي على هياكل ثقوب.

بعد ذلك فحص الفريق العلاقة بين الشكل البصري والوظيفة للبروكوزومات، والتي أظهرت أن الهندسة الهرمية للبروكوزومات مُصممة ضمن نطاق حجم ضيق مع بنية ثقوب لتقليل انعكاس الضوء بشكل كبير.

للتحقق من كيفية تفاعل البروكوزومات مع الضوء تحت الأحمر بأطوال موجية مختلفة، استخدم الباحثون مطياف فورييه تحت الأحمر الميكروي (FTIR) الذي ساعدهم على فهم كيفية تعديل الضوء بواسطة هذه الهياكل.

وُجد أن الجسيمات المصنّعة في المختبر يمكنها تقليل انعكاس الضوء بنسبة تصل إلى 94٪، وهو إنجاز كبير لأنه المرة الأولى التي يُرى فيها نوع في الطبيعة يتحكم في الضوء بهذه الطريقة باستخدام جسيمات مجوفة.

تشير هذه الاكتشافات أيضًا إلى احتمال قوي أن القمل النباتية يغطون أجسامهم بدرع من البروكوزومات للتمويه وتجنب المفترسين، بدلاً من النظريات السابقة التي افترضت أن ذلك يساعدهم على التخلص من الملوثات والماء، وفقًا للمشارك المشارك وونغ.

علاوة على ذلك، اكتشف الفريق أن الشكل المجوف على شكل كرة باكي للبروكوزوم، إلى جانب حجم ثقوبه، يخدم غرضًا مزدوجًا: امتصاص الضوء فوق البنفسجي (UV) وتشتت الضوء المرئي.

ومن المثير للاهتمام، وُجد أن الحجم ثابت عبر أنواع القمل النباتية، بغض النظر عن حجم جسم الحشرة. لذا، يبلغ قطر البروكوزومات حوالي 600 نانومتر، وتبلغ مسامها حوالي 200 نانومتر.

هذا الثبات يقلل من رؤيتها من قبل المفترسين مثل الطيور والزواحف التي تمتلك رؤية فوق بنفسجية، من خلال امتصاص الضوء فوق البنفسجي بفضل حجم الثقوب. بالإضافة إلى ذلك، يخلق تشتت الضوء المرئي درعًا مضادًا للانعكاس ضد التهديدات المحتملة.

انقر هنا لقراءة لماذا يُعد الطباعة ثلاثية الأبعاد سوقًا محتملًا بقيمة 500 مليار دولار.

تطبيقات محتملة مذهلة

وبدعم من مكتب البحوث البحرية، تمكنت الدراسة من العثور على إجابة لتعقيد الهياكل، موضحةً أنها صُممت لتعزيز تشتت الضوء عبر نطاق واسع. بالإضافة إلى ذلك، خفضت الثقوب مرور الضوء أكثر من خلال عملها كمرشحات منخفضة التمرير للضوء قصير الموجة.

تسمح هذه التأثيرات للبروكوزومات بتحقيق خفض في الانعكاس النوعي يتراوح بين 80 إلى 94٪ عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية. وفقًا للباحث لين وانغ، المؤلف الرئيسي للدراسة والباحث ما بعد الدكتوراه في الهندسة الميكانيكية، “يمكن أن تكون هذه النتائج مفيدة جدًا للابتكار التكنولوجي”.

إن وجود طريقة جديدة لتنظيم انعكاس الضوء على سطح ما يمكن أن تمكّن العلماء من إخفاء البصمات الحرارية لكل من الآلات والبشر. يتوقع وانغ أن نتمكن يومًا ما من الاستفادة من حيل القمل النباتية لإنشاء عباءة تخفي الحرارة للإنسان، وهو ما يحمل وعدًا في التطبيقات العسكرية ومراقبة الأمن.

“يظهر عملنا كيف يمكن لفهم الطبيعة أن يساعدنا في تطوير تقنيات حديثة.” 

– Wang

بعض التطبيقات المحتملة للنتائج تشمل واقيات شمسية متقدمة لحماية الجلد من أضرار الشمس، مما يقلل من خطر الإصابة بسرطان الجلد. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطوير طلاءات لحماية الأدوية من الضرر الناجم عن الضوء، مما يعزز فعالية ومتانة الأدوية الحساسة. كما أشار الباحثون إلى أن هذه المعرفة قد تؤدي إلى تطوير أنظمة أكثر كفاءة لجمع الطاقة الشمسية.

بينما نجح الفريق في إنشاء نسخ مطابقة تمامًا للبروكوزومات الطبيعية، لا يزال عملهم بعيدًا عن الانتهاء. في الخطوة التالية، سيركز الباحثون على تحسين تصنيع البروكوزومات الصناعية لتقارب حجم نظيراتها الطبيعية.

سيتناول الفريق أيضًا تطبيقات إضافية للبروكوزومات الصناعية، مثل تشفير المعلومات. يمكن دمج الهياكل المعقدة للبروكوزومات في نظام تشفير حيث لا تكون البيانات مرئية إلا تحت أطوال موجية معينة من الضوء، مما يتيح اتصالات آمنة.

وفقًا لوانغ، تُظهر الدراسة قيمة الاستلهام من الطبيعة، التي “كانت معلمًا جيدًا للعلماء لتطوير مواد متقدمة جديدة”.

القمل النباتية هي مجرد واحدة من العديد من أنواع الحشرات، وهذا يمثل البداية فقط؛ فهناك “العديد من الحشرات المدهشة الأخرى التي تنتظر علماء المواد لدراستها”، ويتوقع وانغ أن يساعد هذا البحث “في حل مشكلات هندسية متعددة”.

قدّم الباحثون طلب براءة اختراع مؤقتة في الولايات المتحدة لعملهم، والذي شارك فيه أيضًا زهو لي، طالب دكتوراه في الهندسة الميكانيكية بجامعة كارنيجي ميلون، وشينغ شين، أستاذ الهندسة الميكانيكية بجامعة كارنيجي ميلون.

منتجات مستوحاة من الهندسة العكسية الناجحة للطبيعة 

تُظهر الدراسة الأهمية الكبيرة للتعلم من الطبيعة. لكن هذه ليست ظاهرة جديدة؛ فالبشر استلهموا من الطبيعة منذ فجر التاريخ. 

تاريخيًا، كان الإغريق القدماء يضبطون نسب مبانيهم وفقًا للنسبة الذهبية. في القرن التاسع عشر، استخدم المستوطنون الإسبان في كولورادو أعماق جحور السناجب الأرضية لبناء منازلهم فوق الأرض. مؤخرًا، قام العلماء حتى بعكس هندسة أنظمة التوازن لدى الحشرات مثل الصراصير لتصميم روبوتات أكثر استقرارًا. 

تُعد السحالي، على وجه الخصوص، مصدر إلهام كبير في صناعة الروبوتات. درس مهندسون في جامعة واترلو قدرة السحالي والديدان القشرية على الحركة الفعّالة لإنشاء روبوت صغير يُتوقع أن يساعد الأطباء في إجراء عمليات جراحية يومًا ما. 

يهدف فريق ماكس بلانك إلى الاستفادة من الرؤى المستخلصة من هبوط السحالي القاسي لمساعدة المركبات الجوية الروبوتية على الاستقرار أثناء الوقوف. حتى وكالة ناسا تستلهم من الزواحف، حيث يتم اختبار لاصق السحالي الخاص بها على محطة الفضاء الدولية. وفي الوقت نفسه، يُظهر روبوت RiSE من بوسطن دينامكس، بأقدامه المستوحاة من السحالي، مدى إمكانية استغلال عبقرية الطبيعة في اختراعات ومنتجات مذهلة.

لذا، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات التي صممت وطورت منتجات مستوحاة من الطبيعة:

#1. Velcro Industries

في عام 1941، اخترع المهندس والرواد السويسري جورج دي ميسترال الفيلكرو، وهو اختراع مستوحى من القراص التي وجدها على نفسه وعلى كلبه. عند فحص القراص تحت المجهر، اكتشف آلية بسيطة لكنها عبقرية: خطافات صغيرة وحلقات قماشية تسمح للقراص بالالتصاق بإحكام بالأسطح. أدى ذلك إلى تقليد بنية القراص كوسيلة تثبيت محتملة. 

تُعد مشابك ALFA-LOK من علامة فيلكرو التجارية مثالًا آخر على ذلك، حيث تستلهم من البنية الفريدة للفطر. تحتوي المشابك على خطافات صغيرة على شكل قبعات الفطر، وهي أغطية صغيرة تشبه المظلات تحمي البذور الدقيقة، وعند قمة كل خطاف توجد قبعة تساعد على إنشاء إغلاق آمن.  

وفقًا لفيليكرو، فإن الإلهام من الطبيعة قد أمان الحفاضات للأطفال، وأرسلنا إلى القمر، وخلق أكثر من 2,000 براءة اختراع. اليوم، أصبح فيلكرو مصطلحًا عامًا ويُستخدم في مجموعة واسعة من القطاعات، بما في ذلك الحوسبة والرعاية الصحية وصناعة السيارات.

#2. Sharklet Technologies 

لمكافحة انتشار البكتيريا، تطور هذه الشركة أسطحًا تمنع نمو البكتيريا والميكروبات—تطبيق يُستَخدم في البيئات الصحية. بدلاً من الاعتماد على المواد الكيميائية القاسية أو المضادات الحيوية، تستمد هذه الأسطح خصائصها المضادة للبكتيريا من بنيةها نفسها.

تتميز هذه الأسطح بطبقة فريدة من الأنماط الدقيقة المستوحاة من نسيج جلد القرش. يبلغ ارتفاع هذه الأنماط حوالي 3 ميكرونات وعرضها 2 ميكرون، وهي غير مرئية للعين المجردة أو للمس. تطور الشركة عدة تنوعات من نمط Sharklet الميكرو، حيث تكون الإصدارات الإيجابية بارزة من السطح بينما تكون الأنواع العكسية مدمجة في سطح المادة.

ظهر النمط في عام 2002 عندما وجد أستاذ علوم المواد والهندسة الدكتور أنتوني برينان الإجابة على مشكلة منع الطحالب من تغطية هياكل السفن والغواصات. عند فحص انطباع جلد القرش باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، hاكتشف أنه مُرتّب بنمط ماسي مع أضلاع دقيقة تمنع استقرار الكائنات الدقيقة عليه.

#3. BioMASON

في قطاع البنية التحتية، تستخدم هذه الشركة البيوميميكري لإنتاج الأسمنت، الذي يُشكل 8٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية. لتقليل الأثر المناخي للبناء مع تزايد الطلب على الأسمنت، غيرت BioMASON طريقة إنتاجه.

استلهمت الشركة، التي تسوق تقنيتها لشركات أخرى، إلهامها من أحد أكثر الهياكل طبيعية صلابة وديمومة: الشعاب المرجانية. من خلال تقليد التكوين الطبيعي لكربونات الكالسيوم في الأصداف والشعاب المرجانية، تعتمد BioMASON عملية مماثلة لتصنيع البيوسيمنت بدلاً من تسخين الحجر الجيري لاستخراج الكربون.

تسعى الآن لاستخدام البيوميميكري لإنشاء مواد قوية ومستدامة للمباني. تُدمج النفايات التعدينية كركام وتستخدم الكائنات الدقيقة كعامل ربط لهذا الركام، مع الاعتماد على حرارة الشمس لعملية التجفيف بعد التنظيف. حصلت الشركة على تمويل من وكالة أبحاث الدفاع المتقدمة لتطوير “الأسمنت البحري الحي المُهندَس”. علاوة على ذلك، يجري تنفيذ مشروع MEDUSA، الذي يهدف إلى بناء مدارج وهياكل عسكرية في مناطق نائية باستخدام الكائنات الدقيقة.

الخلاصة

كما قال وانغ، القمل النباتية وغيرها من الحشرات “ليست مجرد حشرات؛ إنها إلهام”. لسنوات، درس العلماء الطبيعة واستخدموها لتصميم منتجات، كما أشرنا أعلاه. من خلال البحث المستمر، والنتائج الواعدة، وتطبيقاتها اللاحقة في مجالات مثل التمويه متعدد الأطياف، وتشفير بصري، وطلاءات مضادة للانعكاس من جميع الاتجاهات، يمكن للدراسات مثل بروكوزومات القمل النباتية المضادة للانعكاس أن تقود إلى العديد من التطورات التكنولوجية وتُحدث تغييرات هائلة عبر مختلف الصناعات.

انقر هنا لتعرف كيف يمكن للروبوتات أن تستلهم من الطبيعة.