Light-Driven Gears: بناء أصغر المحركات للطب

اتجهت ظاهرة التصغير إلى اختراق مجموعة واسعة من الصناعات.

على وجه الخصوص، تستمر الجهود لإنشاء أجهزة أصغر وأكثر كفاءة وقوة عبر مجالات مختلفة، بما في ذلك الإلكترونيات، والذكاء الاصطناعي، والفضاء، والطب.

مفهوم التصغير ببساطة يتضمن تصنيع منتجات وأجهزة أصغر. ينتج عن ذلك منتجات أخف وزنًا وأكثر تجميعًا وقابلية للنقل مع أداء محسّن وتكاليف أقل، مما يؤدي إلى وصول أكبر وابتكار أكثر.

يُعد تصغير الآلات الميكانيكية في الواقع مفتاحًا لتقدم تكنولوجيا النانو وتقليل الأثر البيئي للجهاز. ومع ذلك، فإن الأمر أكثر تعقيدًا بسبب تغير الخصائص الهيكلية للأجزاء الميكانيكية عند تصغيرها.

في مجال الميكاترونيات، يعمل الباحثون على تصغير المكونات الرئيسية للآلات مثل التروس والمحركات الدقيقة على مدار عقود قليلة. ومع ذلك، واجهت هذه الجهود الهندسية حدودًا عند حوالي 0.1 مليمتر (مم).

ذلك بسبب التعقيدات المتعلقة ببناء سلاسل النقل وأنظمة التوصيل على هذا النطاق الصغير.

لكن فريقًا من الباحثين في جامعة جوتنبرغ وجد أخيرًا بديلاً لتحقيق ذلك. نُشرت الدراسة في مجلة نيتشر تحت عنوان ‘Microscopic geared metamachines¹‘ وتفصل نهجهم الذي يتضمن استخدام الأسطح الفوقية الضوئية (OM) لتشغيل الآلات الصغيرة محليًا.

يمكن بالفعل تصنيع النهج الجديد باستخدام طرق الليثوغرافيا القياسية وتكامله بسلاسة على الرقاقة، مما يتيح للباحثين تحقيق أحجام تصل إلى عشرات الميكرو متر (μm) مع حركات دقيقة إلى مستوى دون الميكرو متر.

في إثبات المفهوم الخاص بهم، أظهر الفريق بناء سلاسل تروس ميكروسكوبية تُشغل بواسطة ترس واحد، مع سطح فائق يُفعَّل بموجة ضوئية مسطحة. كما طوروا “ماكينة ميكروية متعددة الاستخدامات للترس والرف”، قادرة على تنفيذ حركة دورية، وتحويل الحركة الدورانية، والتحكم في مرايا صغيرة لتوجيه الضوء.

تتيح عملية التصنيع على الرقاقة تكاملًا بسيطًا. وفي الوقت نفسه، يتيح استخدام الضوء كمصدر طاقة سهل التحكم فيه للآلات الميتا المصغرة تقديم حركة دقيقة وتحكم، وبالتالي يفتح إمكانيات جديدة للأنظمة الدقيقة والنانوية، حسب ما أشارت الدراسة.

تصغير الأنظمة الميكانيكية للتصغير المتقدم

اسحب للتمرير →

من الطواحين القديمة إلى الروبوتات الحديثة ومن الساعات البسيطة إلى السيارات المعقدة، التروس موجودة في كل مكان، تعكس تقدم التكنولوجيا البشرية. 

هذه الآليات ذات التروس هي أنظمة حيث تنقل التروس المتشابكة الحركة والقوة والطاقة لأداء المهام بكفاءة. تُعد حاسمة للسيارات والفضاء والروبوتات وتطبيقات أخرى، وتوفر هذه الأنظمة تحكمًا دقيقًا عن طريق تغيير السرعة وزيادة الميزة الميكانيكية.

تركز التطورات الحالية في التروس على تصغيرها إلى مقاييس الميكرو متر، مما سيقلل النفايات ويعزز كفاءة المواد. 

سيفتح ذلك أيضًا إمكانيات جديدة للميكنة واستكشاف مقياس طول لا يزال حتى الآن بعيدًا عن المتناول. على سبيل المثال، سيمنحنا تصغير النظام فهماً أعمق للاحتكاك وتفاعلات السطح، مع تمكين ابتكارات مثل أجهزة الميكروفلوديك عالية الأداء وتكنولوجيات بصرية قابلة لإعادة التكوين.

حاليًا، تتركز الجهود في هذا الصدد على إنشاء محركات دقيقة فردية، وهي أجسام صغيرة قادرة على الدوران. ولتشغيلها، تم استكشاف آليات مثل الحقول الكهربائية الساكنة وAC، والحقول الضوئية، والحقول المغناطيسية.

ومع ذلك، كانت المشكلة تكمن في دمج المحركات الدقيقة في آليات تروس صغيرة تعمل فعليًا، مما خلق حاجة إلى نهج قابل للتوسع.

توفر أحدث اختراق بحثي حلاً من خلال إنشاء تروس صغيرة يمكن تشغيلها مباشرة بالضوء، مما يتيح بناء أصغر المحركات على الإطلاق لتطبيقات على الرقاقة.

كما أشارت الدراسة، استخدمت التطورات الأخيرة في المادة النشطة الضوء غير المركز لتحريك مركبات صغيرة باستخدام الأسطح الفوقية التي تنتج قوى ضوئية جانبية عبر تشتت الضوء الاتجاهي. 

أظهرت المركبات الدقيقة التي تحتوي على هذه البنى النانوية المرتبة بنمط متوازي أنها تدفع إلى الأمام تحت الضوء المستقطب خطيًا. ويمكن أيضًا التحكم فيها باستخدام الضوء المستقطب عبر نقل الزخم الزاوي الدوراني.

علاوة على ذلك، أظهر ترتيب المشتتات بنمط دائري إمكانية الدوران تحت الضوء المستقطب خطيًا. وتستخدم تصاميم أكثر تقدمًا أربعة هوائيات نانوية بلازمونية كيرالية يمكن توجيهها بشكل فردي، مما يتيح التحكم الكامل في الحركة ثنائية الأبعاد عبر تطبيق ضوء بطولين موجيين.

استنادًا إلى هذه التطورات، أنشأ الفريق آلية تروس تُشغل بواسطة الأسطح الفوقية الضوئية التي تعمل تحت إضاءة ثابتة.

الأسطح الفوقية هي مواد ثنائية الأبعاد رقيقة جدًا تم هندستها خصيصًا، وتتكون من هياكل دون الطول الموجي تتحكم في الموجات الكهرومغناطيسية عن طريق تعديل طورها وسعتها واستقطابها.

من خلال تشكيل هذه الموجات بدقة، تتيح الأسطح الفوقية تطبيقات مثل العدسات، والعروض الهولوغرافية، وأجهزة الاستشعار المتقدمة، وجمع الطاقة بكفاءة، وتحسين أنظمة الاتصالات اللاسلكية.

توفر الأسطح الفوقية الضوئية (OMs) هنا مرشحين واعدين لحل عنق الزجاجة المتعلق بالعناصر الضوئية الضخمة. إنها تقدم طريقة جديدة للتحكم في الضوء بناءً على تشتت من البنى النانوية الرنانة، وبالتالي توفر تحكمًا فعالًا في الطور والاستقطاب والانبعاث.

لدمج المادة الميتا الضوئية في التروس مباشرة على رقاقة ميكروية، استخدم الفريق الليثوغرافيا الضوئية القياسية.

الليثوغرافيا الضوئية هي عملية تصنيع دقيقة تستخدم الضوء لنقل نمط هندسي من قناع فوتوغرافي إلى مادة حساسة للضوء (الفوتوريسست) على ركيزة، مثل رقاقة السيليكون. هذه العملية أساسية لإنشاء الأنماط المعقدة الموجودة في أشباه الموصلات.

فيما يتعلق بالمادة المستخدمة للتروس، التي يبلغ قطر كل منها حوالي بضعة عشرات من الميكرو متر (0.016 μm تحديدًا)، استخدم الفريق السيليكون.

يُعد السيليكون (Si) عنصرًا حيويًا للتكنولوجيا الحديثة حيث يعمل كمادة شبه موصل أساسية في الرقائق الدقيقة والترانزستورات. استخدمه الفريق كمادة أساسية بفضل توافقه مع الليثوغرافيا الضوئية، مما يسهل التصنيع على نطاق واسع.

انقر هنا لتتعرف على الليثوغرافيا بدون قناع، التي تُغيّر قواعد اللعبة لمصنعي الرقائق

ثورة الطب باستخدام الآلات الصغيرة

بدلاً من استخدام الميكانيكا التقليدية، استخدم فريق البحث في جامعة جوتنبرغ الضوء الليزري لبناء تروس ميكروسكوبية لا يمكنها فقط الدوران بل أيضًا تغيير الاتجاه وحتى تشغيل آلات ميكروسكوبية.

المحرك صغير جدًا بحيث يمكنه أن يتسع بسهولة داخل خيط شعر. يُأمل أن تؤدي هذه التطورات إلى أدوات طبية مستقبلية لا يتجاوز حجمها حجم خلايا الإنسان.

مع هذا الاختراق، تغلب الباحثون على حد بناء سلاسل نقل أصغر تحرك المحركات الدقيقة، التي أوقفت تقدمهم عند 0.1 مم، عبر التخلي تمامًا عن سلاسل النقل.

بدلاً من ذلك، تُحرك الآلات الميكروسكوبية بالضوء الليزري. لهذا، استخدم الفريق مواد ميتا ضوئية، وهي هياكل صغيرة معقدة النمط يمكنها التقاط الضوء والتحكم فيه بدقة عالية وعلى مقياس صغير جدًا.

من خلال تسليط الليزر على المادة الميتا، يجعل الباحثون عجلة الترس تدور، ومن خلال التحكم في شدة الضوء الليزري، يتحكمون في السرعة. والأكثر من ذلك أنهم يستطيعون تغيير اتجاه عجلة الترس عن طريق تعديل استقطاب الضوء.

“لقد بنينا سلسلة تروس حيث يُشغل ترس مدفوع بالضوء السلسلة بأكملها. يمكن للتروس أيضًا تحويل الدوران إلى حركة خطية، وتنفيذ حركات دورية، والتحكم في مرايا ميكروسكوبية لتوجيه الضوء.”

– غان وانغ، المؤلف الأول للدراسة والباحث في فيزياء المادة اللينة في الجامعة

تفتح هذه القدرة على دمج الآلات الميكروسكوبية مباشرة على رقاقة وتحريكها بالضوء إمكانيات جديدة ومثيرة.

في البداية، يقترب الباحثون خطوة أخرى نحو بناء محركات دقيقة يمكن توسيعها إلى أنظمة ميكروسكوبية معقدة، حيث إن الضوء الليزري سهل التحكم ولا يحتاج إلى اتصال ثابت مع الآلة.

“هذه طريقة جديدة جذريًا للتفكير في الميكانيكا على المقياس الميكروسكوبي. من خلال استبدال التوصيلات الضخمة بالضوء، يمكننا أخيرًا تجاوز حاجز الحجم.”

– وانغ

إمكانية أخرى هي استخدام الماكينات الدقيقة والنانومكينات، التي يمكنها تحريك جزيئات صغيرة أو دمجها في أنظمة المختبر على رقاقة، مما يتيح تقييم الأنظمة البيولوجية.

استخدام الضوء كمصدر طاقة متاح على نطاق واسع ومتوافق حيويًا يجعل الميكرو موتور مناسبًا لتحريك الخلايا والبكتيريا وغيرها من المواد الحيوية.

استخدم النظام ليزرًا قياسيًا بطول 1064 نانومتر، الذي يمتاز بامتصاص منخفض من الماء والأنسجة، وبالتالي يقلل أي ضرر للعينات البيولوجية. كما أن الضوء يعمل بمتطلبات طاقة منخفضة، فقط بضعة ملي واط، وهو ضمن الحدود الآمنة للأنظمة البيولوجية.

ومن الجدير بالذكر أن الضوء يمكن توجيهه انتقائيًا إلى الترس الدافع، مما يمنع الحاجة إلى تعريض العينات البيولوجية مباشرة لمصدر الضوء. يوسع هذا الآلية غير المباشرة وغير الضارة لتوصيل الطاقة تطبيقات الماكينات الميتا المدفوعة بالضوء والميكرو موتور في البيئات الطبية.

بشكل أكثر تحديدًا، يمكن للتروس الميكروسكوبية المساعدة في تنظيم تدفقات السوائل أو التحكم في أنظمة توصيل الأدوية.

مع عجلات تروس تتراوح أقطارها بين 16 إلى 20 ميكرومتر، وهو حجم بعض خلايا الإنسان، يمكن استخدام المحركات الدقيقة الجديدة كمضخات داخل جسم الإنسان لتنظيم تدفقات مختلفة، وقد تعمل أيضًا كصمامات تفتح وتغلق.

علاوة على ذلك، فإن العملية المعقدة متعددة الخطوات لتصنيع الرقاقة المستخدمة هنا متوافقة مع الليثوغرافيا الشائعة لتقنية CMOS (المكمل للمعادن-أكسيد-أشباه الموصلات)، مما يمكن من دمجها بسلاسة مع مكونات CMOS الأخرى مثل المستشعرات البلازمونية والعدسات المعدنية.

مع تروسها التي تعمل بالضوء على مقياس الميكرو متر، تعد الدراسة بقدرات رائدة في الأنظمة الميكانيكية الدقيقة والنانوية. ومع ذلك، لا يزال هناك قيد في الاعتماد على الأسطح الفوقية المصممة مسبقًا، مما يحد من قابلية تعديل الحركة الديناميكية.

لمعالجة ذلك، أوصى الباحثون بدمج مواد تحول الطور مثل ثاني أكسيد الفاناديوم (VO2) في تصميم السطح الفوقي. سيمكن ذلك إعادة تكوين الخصائص الضوئية في الوقت الحقيقي استجابةً للمؤثرات الخارجية مثل الضوء أو الحرارة أو المجالات الكهربائية.

كما اقترحوا مواد سطحية بديلة مثل TiO2 لتمديد الطول الموجي التشغيلي إلى نطاق الضوء المرئي، مما سيبسط المعايرة الضوئية وربما يحسن قابلية التكيف والأداء وتطبيقية النظام عبر بيئات متنوعة.

قفزة التصغير إلى الطب

لقد كان التصغير يحدث ثورة في الإلكترونيات منذ عقود. مكنت تصنيع أجهزة أصغر وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وعالية الأداء من التقدم في الهواتف الذكية، والأجهزة القابلة للارتداء، وأنظمة الاتصالات.

هذا، مع ذلك، مهم بنفس القدر في الطب، حيث يمكن للآلات المصغرة أن تسمح بدقة أكبر. يمكن لهذه الأدوات ليس فقط تحسين التشخيصات بل أيضًا تمكين علاجات جديدة على المستوى الخلوي وجعل الرعاية الصحية أكثر وصولًا.

وبالتالي، يستكشف الباحثون توسيع التصغير إلى الطب.

كما رأينا مع تروس أسطح جوتنبرغ الفوقية، حلوا عنق الزجاجة في التحفيز بإزالة سلاسل النقل. فريق آخر حل المشكلة بدمج الاستشعار مباشرة في أجهزتهم ويمهد الطريق لتطبيقات واقعية للأجهزة المصغرة الذكية.

قام فريق الباحثين من كلية الدوائر المتكاملة ومختبر ووهان الوطني للضوء الإلكتروني، جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا، الصين، بتطوير آلات مغناطيسية فوق صوتية مصغرة للاستشعار الروبوتي اللاسلكي والتلاعب.

تتناول هذه الدراسة مشكلة عدم توافق الاستشعار والتحفيز على المقاييس الميكروسكوبية التي تعيق تطوير أنظمة مصغرة ذكية يمكنها تعزيز التطبيقات الطبية الحيوية بشكل كبير.

كحل، اقترح الباحثون نهجًا جديدًا يدمج حساسات فوق صوتية ناعمة مدمجة (EUSS) مع محركات مغناطيسية. تُعد الـEUSS ناعمة ومضغوطة وخفيفة الوزن في التصميم. بوزن لا يتجاوز 4.6 ملغ وأبعاد 1.3 مم × 1.3 مم × 1.6 مم، فهي متوافقة مع المكونات الناعمة والصلبة من حيث الحجم والمرونة.

علاوة على ذلك، صمم الفريق محولات مدمجة وعلى متن الجهاز، وبالإضافة إلى الحقول المغناطيسية الخارجية، استخدموا التواصل بالموجات فوق الصوتية السلبية، مما مكنهم من اكتشاف القوة والاهتزاز ودرجة الحرارة واللزوجة لاسلكيًا وتنظيمها.

عند اختبارها على الأرانب والخنازير، وجد الفريق أن الجهاز يوفر جرعات دوائية دقيقة، ومراقبة فسيولوجية، وتحكمًا رجعيًا روبوتيًا.

في حالة أخرى، طور باحثو معهد EPFL واجهة دماغ-آلة مصغرة (MiBMI) تعزز كفاءة وقابلية توسيع واجهات الدماغ-الآلات، مما يوفر طريقة واعدة لاستعادة التحكم والاتصال للأفراد الذين يعانون من إعاقات حركية شديدة.

نظرًا لصغر حجمه وانخفاض استهلاك الطاقة، يجعل النظام مناسبًا للتطبيقات القابلة للزرع، بينما يضمن تدخله الضئيل سلامة المريض. إنه نظام متكامل بالكامل مع التسجيل والمعالجة يتم على شريحتين صغيرتين جدًا.

“تتيح لنا MiBMI تحويل النشاط العصبي المعقد إلى نص قابل للقراءة بدقة عالية واستهلاك طاقة منخفض. يقربنا هذا التقدم من حلول عملية قابلة للزرع يمكنها تعزيز قدرات التواصل للأفراد الذين يعانون من إعاقات حركية شديدة بشكل كبير.”

– مهسا شوران، في مختبر تقنيات الأعصاب المتكاملة (INL) في EPFL حيث تم تطوير الجهاز

الاستثمار في مستقبل التكنولوجيا المصغرة

في حين أن شركة ميدترونيك ذات القيمة السوقية 122.6 مليار دولار (MDT ) تتمتع بمحفظة واسعة من الأجهزة الطبية مثل المستشعرات الدقيقة والمحركات والأجهزة الروبوتية المساعدة، وشركة لومنتم هولدينغز ذات القيمة السوقية 12 مليار دولار (LITE ) تتقدم في مجال البصريات والفوتونيات. اليوم، سنستعرض إمكانات الاستثمار في شركة SiTime Corporation (SITM )، التي توضح كيف تتوسع أنظمة MEMS (الأنظمة الميكروإلكتروميكانيكية) وكيف يتم التعامل مع دمجها في الرقائق تجاريًا.

SiTime Corporation

SiTime هي شركة أنالوج وإلكترونيات شبه موصلة تُستخدم منتجاتها لتوقيت دقيق في الإلكترونيات.

هذا الأسبوع فقط، أعلنت شركة SiTime Corporation عن إطلاق منصة Titan، وهي عائلة من رنانات MEMS أصغر بحوالي أربعة أضعاف من أصغر البدائل الكوارتز التقليدية. وفقًا للشركة، سيمكن ذلك “تصغيرًا غير مسبوق” بالإضافة إلى التكامل في أجهزة صغيرة تعمل بالبطارية، مما يدعم الموجة التالية من الابتكار في الأجهزة الطبية، والملبوسات، وإنترنت الأشياء الصناعي.

مع قيمة سوقية تقارب 8 مليارات دولار، يتم تداول أسهم SiTime حاليًا بسعر 306.5 دولار، بارتفاع 42.3٪ منذ بداية العام (YTD). في أبريل من العام الماضي، كانت أسهم SITM أقل من 100 دولار وقد ارتفعت بأكثر من 323٪ منذ ذلك الحين. كما ارتفع السهم بأكثر من 106٪ منذ أدنى مستوى له في أبريل، تماشيًا مع السوق العامة التي وصلت إلى مستويات قياسية. 

من الناحية المالية، أبلغت الشركة عن زيادة بنسبة 58٪ في صافي الإيرادات لتصل إلى 69.5 مليون دولار للربع الثاني من عام 2025.

كان إجمالي ربح GAAP 36.1 مليون دولار، ومصروفات التشغيل GAAP 60.7 مليون دولار، وصافي خسارة GAAP 20.2 مليون دولار، أي 0.84 دولار للسهم المخفف. في الوقت نفسه، كان إجمالي ربح غير GAAP 40.5 مليون دولار، ومصروفات التشغيل غير GAAP 33.3 مليون دولار، وصافي دخل غير GAAP 11.6 مليون دولار، أي 0.47 دولار للسهم المخفف.

“يظهر الزخم المستمر لشركة SiTime عبر أسواقنا النهائية أن تركيزنا على التطبيقات عالية الأداء يحقق النتائج. ارتفعت إيراداتنا من سوق الاتصالات والمؤسسات ومراكز البيانات (CED) بنسبة 137٪ سنةً بعد سنة، مدفوعة بالذكاء الاصطناعي الذي خلق طلبًا قويًا على حلول التوقيت الدقيق لدينا.”

– الرئيس التنفيذي راجيش فاشست

أنهت الشركة الربع بمجموع 796.7 مليون دولار من النقد وما يعادله والاستثمارات قصيرة الأجل.

أحدث أخبار وأسهم شركة SiTime Corporation  (SITM) وتطوراتها

الخلاصة

ستُحدث الهندسة الدقيقة تحولًا في نهجنا الميكانيكي للأنظمة الميكروسكوبية، ويجعل الاختراق الأخير في إنشاء تروس على مقياس الميكرو متر ذلك ممكنًا. تعد التروس الصغيرة التي تعمل بالضوء والتي تم تطويرها حديثًا بإحداث ثورة في الطب من خلال تشغيل آلات بحجم خلايا الإنسان فقط.

يعكس ذلك انتقال التصغير من الإلكترونيات إلى الطب، مما يُظهر أن تصغير التكنولوجيا لا يتعلق فقط بالكفاءة بل أيضًا بفتح إمكانيات جديدة تمامًا.

مع مرور الوقت، ستستمر هذه الأجهزة في أن تصبح أصغر وأكثر قدرة، ممهدة الطريق لأنظمة ميكروسكوبية ذاتية تعمل بسلاسة داخل جسم الإنسان، حيث ستنظم التدفقات، وتُقَدِّم الأدوية، وربما تصلح الأنسجة على المستوى الخلوي.

انقر هنا لتتعرف على كيفية تغيير الجسيمات الميكروسكوبية المطبوعة ثلاثيًا للطب والإلكترونيات.

المراجع:

<sup>1. Wang, G., Rey, M., Ciarlo, A., Shanei, M., Xiong, K., Pesce, G., Käll, M. & Volpe, G. (2025). Microscopic geared metamachines. Nature Communications, 16:7767. (الإصدار الرسمي)، نُشرت 20 أغسطس 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62869-6
2. Liu, X., Tang, H., Li, N., He, L., Tian, Y., Hao, B., Xue, J., Yang, C., Sung, J. J. Y., Zhang, L., & Zang, J. (2025). Miniature magneto-ultrasonic machines for wireless robotic sensing and manipulation. Science Robotics, 10(106). (الإصدار الرسمي)، نُشرت 17 سبتمبر 2025. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851
3. Shaeri, M., Shin, U., Yadav, A., Caramellino, R., Rainer, G., & Shoaran, M. (2024). A 2.46-mm² miniaturized brain–machine interface (MiBMI) enabling 31-class brain-to-text decoding. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 59(11), 3566–3579. (الإصدار الرسمي)، نُشرت نوفمبر 2024. https://doi.org/10.1109/JSSC.2024.3443254</sup>