استخدام الروبوتات الدقيقة للحفاظ على نظافة المحيط

الباحثون اكتشفوا طريقة فعّالة لجعل مياه العالم أكثر نظافة. توضح دراسة نُشرت في مجلة ACS Nano هذا الأسبوع كيف يمكن للروبوتات الدقيقة تقليل تلوث البلاستيك في البيئات المائية. توفر هذه الأجهزة التي تعمل بالمغناطيسية خيارًا مستدامًا وقابلًا لإعادة الاستخدام في السوق. إليك كل ما تحتاج إلى معرفته حول كيفية رغبة الباحثين في استخدام الروبوتات الصغيرة لمحاربة التلوث.

المواد البلاستيكية الدقيقة تسبب مشاكل

المواد البلاستيكية الدقيقة تشكل مشكلة كبيرة للعالم. تتشكل هذه الجزيئات الصغيرة بمرور الوقت عندما تتحلل المنتجات البلاستيكية. حجم المواد البلاستيكية الدقيقة -5 ميكرومتر، مما يجعل جمعها من البيئات المائية صعبًا جدًا. للأسف، تشكل هذه الجزيئات البلاستيكية الصغيرة مخاطر بيئية وصحية عندما تُترك دون معالجة.

سلاسل الغذاء

إحدى المشكلات الرئيسية مع المواد البلاستيكية الدقيقة هي أنها تُستهلك من قبل الأسماك والكائنات البحرية الأخرى. تُؤكل هذه الجزيئات، مما يُدخل المواد البلاستيكية الدقيقة إلى سلاسل الغذاء. للأسف، لا تنتهي الدورة؛ حتى بعد وصول المواد البلاستيكية الدقيقة إلى استهلاك البشر، تعود إلى البيئة مرة أخرى.

أكدت عينات البراز أن المواد البلاستيكية الدقيقة قد تلوثت البيئة إلى حد أنها أصبحت الآن جزءًا من جسمك. وجدت دراسة أن الشخص المتوسط يستهلك 50 ألف جزيء بلاستيك سنويًا. اليوم، يمكن العثور على هذه الجزيئات الضارة في كل جانب تقريبًا من الحياة، مما يجعل من الضروري وضع أنظمة تقليل في المكان.

البكتيريا

المواد البلاستيكية الدقيقة ضارة بنمو الدماغ وتسبب أمراضًا أخرى. تجذب هذه الجزيئات البلاستيكية الصغيرة نموًا ضارًا من الطحالب والبكتيريا. تُنشئ هذه الأنواع مسببات مرض وتسبب أمراضًا إذا تم استهلاكها أو استنشاقها لفترات طويلة. على وجه التحديد، ربطت الدراسات بين أمراض الجهاز التنفسي والقلب والمواد البلاستيكية الدقيقة في الهواء والتربة والمياه. وبالتالي، هناك طلب قوي لتقليل تأثيرها البيئي والصحي.

الروبوتات الدقيقة

الروبوتات الدقيقة هي آلات صغيرة غالبًا ما تحتوي على مكوّن متحرك واحد يمكن تنشيطه باستخدام القوى الكهربائية أو الكيميائية أو المغناطيسية. هناك العديد من التطبيقات لهذه الروبوتات الصغيرة من الرعاية الصحية إلى السلامة والأمن. في هذه الحالة، سعى الباحثون لإنشاء سرب يُتحكم فيه مغناطيسيًا ويمكن التحكم فيه بناءً على التيار.

المصدر – ACS NANO

كان إبداعهم روبوتًا دقيقًا يتحكم فيه مغناطيسيًا بحجم 2.8 ميكرومتر. تمتد من أجسام الروبوتات خيوط حجز بوليمرية مع جسيمات مغناطيسية مشحونة إيجابيًا. يتيح هذا الهيكل تجميع الأذرع والروبوتات والتحكم فيها عبر المغناطيسات. على وجه الخصوص، استخدم الباحثون كرات Dynabeads المعدلة بالأمين والمفعّلة بالليغاند الحامل للكربوكسيل بولي (N-[3-(dimethylamino)propyl] methacrylamide).

الأسراب تعزز الأداء

صغر حجم هذه الروبوتات يجعلها غير فعّالة في إكمال معظم المهام بمفردها. ومع ذلك، تستفيد هذه الأنظمة من الأسراب لإنجاز مهام معقدة بفعالية. مثل الطبيعة، تُنشئ الأسراب كفاءة وتضمن أن نقطة فشل واحدة لا تمنع إكمال المهام الضرورية. وبالتالي، تُعد الروبوتات الدقيقة مثالًا آخر على تقليد الإنسان للطبيعة.

في هذه الحالة، يمكن للخيوط المغناطيسية التنظيم عندما يُطبق حقل مغناطيسي. بمجرد الجمع، يمكن استخدام الحقل المغناطيسي لتنسيق حركات السرب كوحدة متماسكة واحدة. يمكن لهذا التحرك جمع المواد البلاستيكية الدقيقة والبكتيريا دون ترك نفايات إضافية.

التجارب والاختبار

بدأ الباحثون باختبار أسراب الروبوتات الدقيقة البوليمرية التي تُتحكم فيها مغناطيسيًا في مهام تنظيف المياه لتقييم فعاليتها وموثوقيتها. وجدوا أنه عندما تُنظم ذاتيًا في مستويات دوارة، أزالت هذه الآلات الصغيرة كمية كبيرة من الملوثات من الماء بمتطلبات طاقة قليلة.

بدأ اختبارهم بإنشاء بيئة ملوثة صناعيًا. أنجز الباحثون هذه المهمة عن طريق إدخال حبيبات بوليسترين فلورية بعرض 1 ميكرومتر إلى ماء الاختبار. ثم أدخل الباحثون البكتيريا إلى المعادلة. استخدموا البكتيريا الشائعة المسببة للالتهاب الرئوي المسماة Pseudomonas aeruginosa، لضمان استخدام مثال واقعي.

إضافة الروبوتات الدقيقة

تمت إضافة الروبوتات الدقيقة إلى بيئة الاختبار وتم تطبيق حقل مغناطيسي على المجموعة. بشكل ملحوظ، تم الحفاظ على دوران الحقل المغناطيسي لمدة 30 دقيقة. بالإضافة إلى ذلك، كان يُغلق كل 10 ثوانٍ. تسبب الحقل في تركيز الروبوتات الدقيقة إلى تركيز 7.5 ملغ لكل مليمتر، وهو ما ثبت أنه مثالي لمهام التنظيف.

التحكم في سرب الروبوتات الدقيقة

وجد الباحثون أنهم حصلوا على سيطرة كبيرة على الأجهزة من خلال التعزيزات المغناطيسية. ضبطوا اتجاه السرب وسرعته وحجمه وسماكته. بالإضافة إلى ذلك، تمكنوا من تنسيق تشكيلات تعزز مهامًا محددة مثل الدفع أو الفرز.

نتائج التنظيف

التقط السرب الكثيف 80% من البكتيريا والملوثات البلاستيكية الدقيقة في تشغيله الأول. ومن الجدير بالذكر أن الملوثات المجمعة ظلت ملتصقة بالروبوتات الدقيقة بعد استخراجها من الماء. ثم تم تطبيق موجات فوق صوتية على الروبوتات الدقيقة في محلول سمح لها بإطلاق المواد البلاستيكية الدقيقة والبكتيريا في وحدة محصورة بأمان.

شمل عملية إزالة التلوث حمامًا فوق صوتيًا لقتل البكتيريا قبل الخضوع لعلاجات الأشعة فوق البنفسجية. معًا، أزالت هذه الخطوات 99% من البكتيريا من الروبوتات، مما جعلها آمنة للاستخدام مرة أخرى. بذكاء، يعني هذا النظام التنظيفي أن الروبوتات قابلة لإعادة الاستخدام مع تدهور طفيف فقط في النتائج.

الباحثون

قادت فريق البحث وراء هذا المشروع مارتن بوميرا. كجزء من استراتيجيتهم، كان على الفريق إنشاء طرق جديدة للتصنيع، وتحليل الحركة، والتطبيق. أثبت بحثهم صحة أطروحتهم وفتح الباب لعمليات ووظائف أكثر تعقيدًا في المستقبل.

حالات الاستخدام المحتملة

هناك طلب قوي على أنظمة ترشيح المياه القابلة لإعادة الاستخدام التي توفر نتائج ثابتة. أصبح الوصول إلى المياه وتنقيتها وتوصيلها أمرًا حيويًا في الحياة. إليك بعض السيناريوهات المحتملة لاستخدام أنظمة الترشيح الروبوتية الدقيقة في المستقبل.

معالجة المياه

الآلات الصغيرة مثالية لتنظيف أنظمة المياه. يمكن إدخالها بجهد قليل وجمعها بسهولة. من الجدير بالذكر أن أنظمة تنقية المياه الحالية تفتقر إلى الأداء اللازم وتعتمد على أنظمة ميكانيكية أو كيميائية غير مستدامة. بذكاء، لا تترك الروبوتات الدقيقة أي بقايا مما يجعلها خيارًا أفضل.

تنظيف المحيط

هناك جزيرة عائمة من النفايات تمتد لأميال في وسط المحيط تستمر في التوسع. هذا الوضع البيئي الفظيع هو أحد العديد من الأضرار التي تسببها النفايات البلاستيكية. تستمر المواد البلاستيكية الدقيقة من هذه المواقع في الإضرار بالبيئة، مما يؤدي بدوره إلى مخاطر صحية.

المصدر – AP:J. Lavers

يمكن تقديم حلول التنظيف الروبوتية الدقيقة إلى هذه المناطق الخطرة وبدء عملية التنظيف دون تدخل بشري. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه الأنظمة التوسع لتلبية الاحتياجات المستقبلية والدمج مع تقنيات أخرى مثل الميكروبات التي تلتهم البلاستيك والتي تقضي على النفايات بعد جمعها.

الرعاية الصحية

يمكن للروبوتات الدقيقة المساعدة في إنشاء أدوية منخفضة التكلفة وأنظمة إنقاذ حياة أخرى. على المدى القصير، يمكن لهذه الأجهزة المساعدة في توفير حلول مياه نظيفة عند الحاجة. قد تصبح هذه الروبوتات شائعة في المستشفيات قريبًا، حيث يمكن استخدامها كنظام ترشيح إضافي لضمان نتائج ذات جودة أعلى.

قد يكون هناك أيضًا تدفق كبير من الشركات الناشئة التي تستفيد من هذه التقنية لدفع أسواق تنقية المياه المنزلية. جودة المياه هي قضية عالمية، وتقدم هذه التقنية أحد أنظف الحلول المتاحة.

البناء والتصنيع

يمكن استخدام الروبوتات التي تُتحكم فيها مغناطيسيًا لإنشاء مبانٍ ومنتجات أقوى في المستقبل. على سبيل المثال، يمكن لهذه الأجهزة مساعدة لوحة مركبة للعودة إلى الحالة المحددة مسبقًا عند تطبيق القوة المغناطيسية. وبالتالي، قد تُستخدم يومًا ما لتثبيت المناطق ذات التوتر العالي في الطائرات، الصواريخ، القوارب، السيارات، وحتى ناطحات السحاب.

فوائد استخدام الروبوتات الدقيقة

تجلب الروبوتات الدقيقة الكثير من الفوائد إلى المعادلة. أولاً، يمكن تصنيعها ونشرها وإدارتها وجمعها بسهولة. يمكن لهذه الأجهزة أيضًا دمج حساسات، مما يساعد على توفير بيانات قيمة يمكن استخدامها لتعزيز جهود مكافحة التلوث بشكل كبير.

الروبوتات الدقيقة القابلة لإعادة الاستخدام

إحدى أكبر الإنجازات في هذا البحث هي القدرة على إعادة استخدام الروبوتات. هناك فقدان طفيف في الأداء في كل دورة. ومع ذلك، هذا الفقدان الصغير في الأداء يُعوضه سلوك السرب. بالإضافة إلى ذلك، فإن انخفاض تكاليف التشغيل يعني أن أي شخص قد يتمكن يومًا ما من إنشاء أسراب ضخمة تحسن الكفاءة عبر الصناعات.

الإفراج المتحكم فيه

فائدة هائلة أخرى لهذا التطور هي القدرة على إجراء إفراج متحكم فيه للسموم. كان من الصعب جدًا ابتكار طرق لتنظيف البيئات المائية وترشيح المواد الخطرة دون ترك بقايا كيميائية. تُزيل هذه الطريقة المواد الكيميائية من المعادلة، مما يجعل العملية أكثر أمانًا واستدامة.

الطاقة المغناطيسية

استخدام الطاقة المغناطيسية لتنظيم وتشغيل هذه الروبوتات الصغيرة يضيف طبقة أخرى من الفوائد إلى المعادلة. لا تتطلب التفاعلات المغناطيسية أن تكون للروبوتات بطاريات. وبالتالي، قلل المهندسون من الحجم والوزن وعوامل أخرى.

الشركات التي قد تستفيد من هذه التطورات

يمكن للعديد من الصناعات الاستفادة من الروبوتات الدقيقة لتنظيف المياه. البيئة تحتاج إلى حلول لإزالة المواد البلاستيكية الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للرعاية الصحية وخدمات التنقية الاستفادة من هذه التقنية لتحسين عروضها. إليك بعض الشركات التي قد تستفيد من هذه التطورات في المستقبل.

Ginkgo Bioworks Holdings, Inc.

DNA مخطط السعر

Ginkgo Bioworks (DNA ) Inc. هي شركة تكنولوجيا حيوية تتخصص في الحلول العضوية. تقدم الشركة خدمات تكنولوجيا حيوية صناعية مفيدة تقلل التكاليف وتحسن الكفاءة. من الجدير بالذكر أن الشركة أسسها 5 خريجي MIT وتُدرج حاليًا جيسون كيلي كمدير تنفيذي. اليوم، تُعد Ginkgo Bioworks Holdings اسمًا بارزًا في السوق.

شهدت Ginkgo Bioworks نموًا ملحوظًا. في عام 2022، استحوذت على موقع Bayer’s Biologics Research & Development وبدأت شراكة استراتيجية. شهدت أسهم الشركة انخفاضًا طفيفًا في القيمة خلال العام الماضي تزامنًا مع باقي السوق. ومع ذلك، فإن موقع Ginkgo Bioworks Holdings في السوق والحلول المتقدمة المملوكة تجعلها إضافة قوية لأي محفظة.

Imina Technologies S.A.

Imina Technologies تتخصص في منصات الروبوتات. لدى شركة البحث والتصنيع منتجات متعددة تمكّن التفاعلات الدقيقة والنانوية. منتجها الرئيسي، miBot، هو أصغر روبوت تجاريًا متاح ب4 درجات حرية في العالم.

تصميم الروبوت غير المقيد يجعله مثاليًا لمسح الأسطح الدقيقة بحرية. يمكن للروبوت التكيف طبيعيًا مع البيئة المتغيرة. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم عدسات مغناطيسية لإنتاج صور عالية الدقة يمكن استخدامها عبر تطبيقات متعددة. قد يُستخدم هذا الروبوت يومًا ما لمراقبة تقدم الروبوتات الدقيقة والمزيد.

مستقبل الروبوتات الدقيقة

يبدو مستقبل الروبوتات الدقيقة مشرقًا، مع الذكاء الاصطناعي وتقنيات أخرى تلعب دورًا متزايدًا وتدفع الابتكار. في المستقبل، ستصبح الروبوتات النانوية والميكروية جزءًا من الحياة اليومية. يمكن لهذه العمال الصغار إنجاز مهام مثل فحوصات السلامة، والإصلاح، والصيانة، والمزيد.

تقنية النانو في تزايد وإدخال الأجهزة ذاتية الطاقة قد فتح الباب أمام حالات استخدام جديدة. هناك روبوتات صغيرة تُشغل نفسها من الكهرباء الساكنة أو خيارات متاحة أخرى اليوم. تجعل هذه التطورات من الممكن استخدام الروبوتات الدقيقة للمساعدة في مكافحة البكتيريا في مواقع جديدة ومفيدة. وبالتالي، فإن مجال الروبوتات الدقيقة هو مجال يستحق المتابعة.

الروبوتات الدقيقة يمكن أن تنقذ أرواحًا

هذا التطور لديه القدرة على إنقاذ ملايين الأرواح داخل وخارج المحيط في السنوات القادمة. الحل للتلوث ليس استجابة بسيطة. بدلاً من ذلك، يحتاج العالم إلى النظر في جميع الخيارات المتاحة ودمج تلك التي منطقية. تقدم أنظمة تنقية المياه الروبوتية الدقيقة فوائد فريدة تجعلها جديرة بالاستكشاف.

دمج هذه الجهود مع الطاقة المستدامة وتقليل التلوث هو المفتاح للنجاح. معًا، قد يكون هذا النهج المتعدد الجوانب ما يلزم لإعادة ضبط الساعة ضد التلوث. حاليًا، يعمل الباحثون على مدار الساعة للبحث عن حلول.

المحيط الأنظف أفضل للجميع

استخدام الروبوتات الدقيقة لمكافحة التلوث على نطاق النانو منطقي لأسباب متعددة. أولاً، هي بالحجم المناسب لإنجاز المهمة. يمكن لهذه الوحدات المجهرية أن تفعل الكثير عندما تعمل في أسراب، وعند دمجها مع تقنيات أخرى مثل الذكاء الاصطناعي، والبلوك تشين، وإنترنت الأشياء، تصبح النتائج قابلة للتتبع بسهولة عبر العالم. لهذه الأسباب والعديد غيرها، يمتلك هذا المشروع إمكانات كبيرة.

تعرف على مشاريع بيئية أخرى رائعة هنا