عضلات الموجات فوق الصوتية: مستقبل الروبوتات اللينة

بناء عضلات يتحكم فيها الصوت

على امتداد معظم التاريخ، وفّرت العضلات الطاقة الميكانيكية، سواء كانت عضلات البشر أم الحيوانات. ولم يصبح استغلال طاقة الرياح عبر الطواحين، والمياه عبر النواعير والسدود، والاحتراق عبر المحركات البخارية ومحركات الاحتراق ممكنًا إلا مع بداية الثورة الصناعية.

لكن هذه الأنظمة الميكانيكية كانت دائمًا أقل كفاءة من الحركة الطبيعية، إذ تتطلب أنظمة معقدة وصيانة لتحقيق حرية حركة محدودة مقارنةً بالعضلات.

لا يزال هذا يمثل تحديًا للروبوتات، التي غالبًا ما تحتاج إلى مجموعات معقدة من المحركات الكهربائية وبرمجيات متقدمة للبقاء في وضعية ثابتة. التحدي الأساسي هو إنشاء حركة قابلة للتحكم بالكامل ومرنة بما يكفي.

وبما أن العضلة تُعد طريقة فائقة لتوليد الحركة، سعى العلماء إلى إنشاء نسخة اصطناعية يمكن تشغيلها بالكهرباء. حتى الآن، المواد المقترحة كانت دائمًا تقصر إما في الأداء أو التكلفة أو طريقة التصنيع.

قد يتغير هذا بفضل تصميم جديد للعضلة الاصطناعية اقترحه باحثون من ETH Zürich (سويسرا)، جامعة مونستر (ألمانيا)، وجامعة نبراسكا-لينكولن (الولايات المتحدة).

نشر الباحثون نتائجهم في المجلة العلمية المرموقة Nature¹ تحت عنوان «عضلات اصطناعية قابلة للبرمجة تعمل بالموجات فوق الصوتية».

كيف تعمل العضلات المدفوعة بالموجات فوق الصوتية

تعمل العضلات بزيادة طولها أو تقليله، فتشد العظم المتصلة به.

حاولت العضلات الاصطناعية حتى الآن محاكاة هذه الآلية باستخدام أنواع متعددة من المواد:

• أنابيب كربونية نانوية
• سبائك ذاكرة الشكل
• أنظمة هوائية (الهواء) أو هيدروليكية

عانت هذه الأنظمة جميعها من نقص الموثوقية أو دقة التحكم أو ارتفاع استهلاك الطاقة أو التكلفة الباهظة.

“الطرق الكيميائية غالبًا ما تتطلب وقودًا قد يكون سامًا، والأنظمة القائمة على الضوء تعاني من اختراق محدود للأنسجة وإمكانية حدوث ضرر حراري، والأنظمة المغناطيسية تتطلب أجهزة ضخمة مع خطر التسخين الجولي.”

اتخذ الباحثون في هذه الدراسة اتجاهًا جديدًا ومختلفًا للتحكم في العضلات الاصطناعية: الصوت.

مزايا الموجات فوق الصوتية

سواء في تطبيقات الروبوتات أم الغرسات الطبية الحيوية، تمتاز الموجات فوق الصوتية بأنها وسيلة تحكم سهلة التوليد وغير مدمرة تمامًا.

الموجات فوق الصوتية أيضًا لاسلكية، عن بُعد، تمر بأمان عبر الطبقات الخارجية (بما فيها الأنسجة العضوية)، وتتمتع بدقة مكانية عالية (توجيه).

كما أنها تقنية تُستخدم عادةً بتكلفة منخفضة، بما في ذلك في الإعدادات السريرية.

لذلك، بشكل عام، الموجات فوق الصوتية مثالية للتطبيقات الطبية والداخلية، ويمكن أيضًا استخدامها في مجالات أخرى مثل الروبوتات، خصوصًا ما يُعرف بالروبوتات اللينة.

تزداد شعبية الموجات فوق الصوتية بين الباحثين، الذين يستخدمونها لشحن الغرسات الطبية لاسلكيًا، ولطباعة الأنسجة الحية، وللمراقبة الحيوية.

مادة الفقاعات الدقيقة في العضلات الاصطناعية

أنشأ الباحثون في هذه الدراسة مادة تحتوي على مصفوفة مصنّعة بدقة من الفقاعات الدقيقة. وعندما تتعرض هذه الفقاعات للرنين المناسب من الموجات فوق الصوتية، تنحني المادة.

المصدر: Nature

يمكن تعديل التردد الصوتي الذي يستجيب له كل جزء من المادة عبر تغيير حجم مصفوفة الفقاعات الدقيقة.

المصدر: Nature

حتى الآن، كانت القوة التي يولدها الموجات فوق الصوتية في العضلة الاصطناعية ضعيفة جدًا لتطبيقات عملية. لكن هذا التصميم الجديد أقوى بكثير (7.6 μN/mm²)، مما يضع هذا المفهوم في طليعة المواد المحتملة للعضلات الاصطناعية.

تم إنشاء قالب عالي الدقة باستخدام مصفوفات من الميكروأعمدة، نمطت على رقاقة سيليكون باستخدام الليثوغرافيا الناعمة، لتعمل كقوالب سلبية للثقوب الميكروية الأسطوانية.

ثم طُليت الرقاقة بطبقة رقيقة من بولي ثنائي ميثيل السيلوكسان (PDMS) لتكوين مادة الفقاعات الدقيقة المطلوبة.

شكّلت المادة النهائية عضلة اصطناعية بأبعاد 3 سم × 0.5 سم × 80 ميكرومتر، تحتوي على أكثر من 10,000 فقاعة دقيقة متجانسة داخل تجاويف قطرها 40 ميكرومتر وعمقها 50 ميكرومتر.

إنشاء حركة مضبوطة بالموجات فوق الصوتية

لأن أجزاء المادة المختلفة تستجيب لترددات مختلفة، يمكن تعديل الموجات فوق الصوتية لتوليد حركة تموجية مضبوطة بدقة. واختبر الباحثون تفاعل المادة مع العالم الحقيقي، فاستخدموها لاحتجاز يرقة سمكة وتدوير حبة لوز وتحريك نصل عشبي. وأظهرت الاختبارات أيضًا أن الطريقة غير ضارة بالكائنات الحية ولا تسبب تسخينًا أو آثارًا سلبية من الموجات فوق الصوتية.

اختبر الباحثون بعد ذلك إمكان استخدام المادة لتثبيت الأنسجة العضوية وتحريكها. ولهذا الغرض جرّبوها على قلب خنزير، فبقيت المشغلات المتحكم فيها بالموجات فوق الصوتية مثبتة ومتحركة، ونقلت القوة إلى النسيج.

المصدر: Nature

اختبروا كذلك قدرة المادة على توصيل الأدوية، حيث استُخدمت الموجات فوق الصوتية محفزًا لإطلاق المادة من رقعة الفقاعات الدقيقة.

تحريك الروبوتات داخل الجسم الحي

وأخيرًا، صنع الباحثون «روبوت شفنين مصغرًا» يمكن لتموجاته التحكم في حركته داخل بيئة سائلة.

المصدر: Nature

ثم اختبروا بنجاح حركة روبوت الشفنين داخل معدة خنزير وأمعائه.

عند تشغيله، يدفع روبوت الشفنين نفسه إلى الأمام بسرعة أولية تبلغ نحو 0.8 من طول جسمه في الثانية، ما يثبت قدرة النظام على التحرك داخل أعضاء الحيوان.

المصدر: Nature

أكدت هذه التجارب مجتمعةً إمكان استخدام المادة داخل الجسم في الأجهزة اللاسلكية والقابلة للارتداء.

التطبيقات

ركزت الدراسة على التطبيقات الطبية الحيوية المحتملة، لأنها قد تكون الاستخدام الأكثر مباشرة لهذه التقنية. ويتزايد استخدام الروبوتات اللينة لدمج المواد في الطب، مثل إيصال أدوية السرطان أو العلاجات الأخرى إلى العضو المستهدف.

يمكن توسيع هذه الطريقة لتشمل قطعًا أكبر، على الأقل إلى مقياس السنتيمتر، ومع العديد من درجات الحرية في الحركة.

لذلك في المستقبل، قد تُستَخدم هذه العضلات الاصطناعية في الروبوتات، الإلكترونيات المرنة، التقنيات القابلة للارتداء، الأطراف الصناعية، الأجهزة الطبية الحيوية، وغيرها.

يمكن أن تجعل التحسينات الإضافية هذا المفهوم أكثر قوة وفائدة:

• يبدو أن التجاويف المخروطية المتقاربة يمكن أن تولد سرعات تدفق أقوى بحوالي 3 أضعاف مقارنةً بالأشكال المتباعدة. لذا فإن تحسين الشكل والكثافة قد يخلق مشغلات بملفات تشوه مخصصة.
• مصدر صوت تركيزي قد يحقق تشوهًا أقوى وتوجيهًا أكثر دقة لجزء محدد من العضلة الاصطناعية.
• يمكن أيضًا استخدام الهلاميات المائية والبوليمرات القابلة للتحلل في تطبيقات طبية حيوية أكثر.

اسحب للتمرير →

الاستثمار في التكنولوجيا الصحية

Philips هي علامة تجارية معروفة في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية الصغيرة (ماكينات الحلاقة، فرش الأسنان الكهربائية)، وتشارك بنشاط في قطاع الرعاية الصحية. على سبيل المثال، كانت الشركة رقم 1 في تقديم براءات MedTech في أوروبا لعام 2022 وفي ضمن الثلاثة الأوائل في السنوات التالية.

تشارك في منتجات طبية متصلة، من الأجهزة القابلة للارتداء إلى التصوير، وأجهزة التنفس، والروبوتات الطبية.

كما تنشط في مجال أشباه الموصلات (بما فيها تقنية المغناطيسية) والتقنيات المتقدمة/الروبوتات/الأتمتة، حيث تشترك جميع أنشطتها في قاعدة تقنية مشتركة.

المصدر: Philips

تقدم Philips أجهزة قابلة للارتداء لقياس مؤشرات القلب، والتنفس، والنشاط. يمكن دمج حسّاتها في الساعات الذكية، ومراقبي الصحة، والرقع الطبية، وأجهزة تتبع النشاط.

خبرة Philips في الحساسات المتوافقة حيويًا، وأشباه الموصلات، والحلول اللاسلكية قد تجعلها رائدة في الزرعات الطبية المتقدمة التي تستفيد من الموجات فوق الصوتية.

في مجال الأجهزة الطبية، تفضّل Philips حلول الشراكة، حيث تطور للأطراف الثالثة أجهزة إنترنت الأشياء الطبية المتصلة المتوافقة بالكامل مع باقي حلول Philips. في هذا السياق، تقدم لعملائها النمذجة الأولية، الاستشارات التنظيمية، تطوير المنتج من البداية إلى النهاية، والإنتاج على نطاق صناعي.

هذا يجعل Philips شركة تركز على التقنية ومرشحًا محتملًا لتكامل الابتكارات الجديدة بسرعة في الأجهزة الطبية القائمة. إجمالًا، تؤثر أجهزة Philips مباشرة على أكثر من 1.8 مليار شخص.

تسعى الشركة لإنشاء بيئة رعاية صحية رقمية متكاملة بالكامل، حيث تتطابق الحساسات مع الأجهزة، ثم تُستخدم حلول اتصال متعددة لتدمجها في منصة Philips HealthSuite Cloud وتتيح تحليلات بيانات متعمقة.

المصدر: Philips

كموّرد في صناعة MedTech، غالبًا ما تصنّع للعلامات التجارية الأخرى، لذا لا تكون Philips مرئية بقدر الشركات الأكبر في القطاع. ومع ذلك، هي خبيرة في بناء أجهزة إلكترونية وحساسات عالية الأداء، وغالبًا ما تدفع حدود الممكن في مجال الرعاية الصحية والملابس القابلة للارتداء.

مع تزايد دمج الأجهزة القابلة للارتداء والإلكترونيات الطبية في بروتوكولات الرعاية الصحية، من المرجح أن ينمو قطاع الرعاية الصحية في Philips كجزء من التكتل.

أحدث أخبار وتطورات أسهم Koninklijke Philips N.V.( PHG)

الدراسة المشار إليها

^{1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. عضلات اصطناعية قابلة للبرمجة مدفوعة بالموجات فوق الصوتية. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3}