به گزارش خبرگزاری ایمنا، الهام گرفتن از طبیعت بار دیگر راه را برای توسعه فناوریهای پیشرفته هموار کرده است. این بار پژوهشگران با الگوبرداری از فرآیند فتوسنتز در برگ گیاهان، موفق به طراحی سامانهای زیستالکترونیکی شدهاند که بدون نیاز به باتری یا سیمکشی، تنها با تابش نور انرژی لازم برای تحریک بافتهای زنده را تولید میکند.
این فناوری میتواند افق تازهای در ساخت تجهیزات پزشکی کاشتنی، درمان بیماریهای قلبی و عصبی و حتی توسعه نسل آینده رابطهای هوشمند میان انسان و رایانه ایجاد کند.
این دستاورد حاصل همکاری محققان دانشگاه شیکاگو، دانشگاه ملی سئول، آزمایشگاه ملی بروکهاون و آزمایشگاه ملی آرگون است و نتایج آن در نشریه معتبر Nature Photonics منتشر شده است.
الهام از فتوسنتز برای تولید برق
پژوهشگران در طراحی این سامانه از غشای تیلاکوئیدی گیاهان الهام گرفتهاند؛ بخشی از سلولهای گیاهی که با بازدهی بسیار بالا، انرژی نور خورشید را به انرژی قابل استفاده تبدیل میکند.
با وجود سالها تلاش برای ساخت سامانههای مصنوعی برداشت نور، فناوریهای موجود هنوز فاصله قابل توجهی با کارایی نمونههای طبیعی دارند.
برای عبور از این محدودیت، محققان از فناوری نانوپلاسمونیک استفاده کردند؛ روشی که در آن نانوساختارهای فلزی قادرند نور را جذب، متمرکز و به حاملهای بار الکتریکی تبدیل کنند.
این فناوری با تولید الکترونهای پرانرژی، امکان کنترل فرآیندهای الکتریکی و شیمیایی را در مقیاس نانو فراهم میکند.
معماری جدید برای افزایش بازده
کلید موفقیت این پروژه، طراحی ساختاری تازه برای نانوساختارها بود. در این سامانه، یک نانوذره طلا با نیمکرهای از دیاکسید تیتانیوم پوشانده شده و در زیر آن نیز لایهای نازک از طلا قرار گرفته است.
این لایه همانند یک آینه عمل میکند و نور عبوری را به داخل ساختار بازمیگرداند تا انرژی نوری چندین بار درون سامانه تقویت شود. نتیجه این طراحی، افزایش قابل توجه تولید بار الکتریکی و ذخیره انرژی نسبت به فناوریهای پیشین بوده است.
پژوهشگران میگویند بدون این لایه بازتابنده، بخش زیادی از نور هدر میرفت، اما اکنون بخش عمده انرژی نور درون ساختار حفظ شده و بازده سامانه به شکل چشمگیری افزایش یافته است.
کنترل ضربان قلب تنها با تابش نور
پس از ساخت این سامانه، پژوهشگران عملکرد آن را در آزمایشهای حیوانی بررسی کردند. آنها قطعهای از این «برگ مصنوعی» را روی قلب موش آزمایشگاهی قرار دادند و تنها با تاباندن نور موفق شدند ضربان قلب حیوان را تنظیم و کنترل کنند.
در آزمایشی دیگر نیز این سامانه روی عصب سیاتیک نصب شد و تابش نور باعث تحریک عصب و ایجاد پاسخ عصبی شد. این نتایج نشان میدهد فناوری جدید میتواند در آینده برای درمان برخی بیماریهای عصبی، کاهش دردهای مزمن و کنترل فعالیت اعصاب کاربرد داشته باشد.
بدون باتری و سیم
یکی از مهمترین مزیتهای این فناوری، عملکرد بیسیم آن است. برخلاف بسیاری از ایمپلنتهای پزشکی که به باتری یا کابل نیاز دارند، این سامانه انرژی مورد نیاز خود را مستقیماً از نور تأمین میکند.
چنین قابلیتی میتواند ابعاد تجهیزات کاشتنی را کوچکتر کند، احتمال بروز عفونت را کاهش دهد و طول عمر آنها را افزایش دهد؛ موضوعی که همواره یکی از چالشهای اصلی تجهیزات پزشکی کاشتنی بوده است.
بررسیهای انجامشده نشان میدهد این سامانه قادر است چگالی جریان الکتریکی در حد میلیآمپر بر سانتیمتر مربع تولید کند؛ عملکردی که برای یک سامانه بیسیم بسیار قابل توجه بوده و حتی با بسیاری از مواد نیمهرسانای رایج رقابت میکند.
کاربردهایی فراتر از پزشکی
کاربرد این فناوری تنها به حوزه سلامت محدود نمیشود. پژوهشگران با استفاده از همین نانوساختار، سامانهای برای تشخیص و پردازش اطلاعات نوری نیز توسعه دادهاند که به جای لمس، به تابش نور واکنش نشان میدهد.
در آزمایشهای انجامشده، الگوهای مختلف با استفاده از یک اشارهگر لیزری روی این سامانه ایجاد شد و سپس یک الگوریتم هوش مصنوعی توانست این الگوها را با دقت بازسازی و تفسیر کند.
به گفته محققان، این فناوری میتواند زمینهساز نسل تازهای از رابطهای انسان و رایانه باشد؛ رابطهایی که اطلاعات را از طریق نور منتقل میکنند و حتی امکان استفاده از طول موجهای نامرئی را نیز برای افزایش امنیت ارتباطات فراهم خواهند کرد.
گام بعدی؛ ایمپلنتهای هوشمند و حسگرهای کوانتومی
تیم تحقیقاتی اکنون روی توسعه نسخهای کاملاً کاشتنی از این سامانه کار میکند که بتواند دستکم یک سال بدون نیاز به تعویض یا منبع انرژی خارجی در بدن فعالیت کند، همچنین پژوهشگران در حال بررسی استفاده از این معماری برای توسعه حسگرهای کوانتومی نسل آینده هستند؛ حسگرهایی که میتوانند دقت بسیار بالایی در اندازهگیری و پردازش اطلاعات داشته باشند.
به اعتقاد محققان، موفقیت این پروژه نتیجه همکاری میان متخصصان حوزههای شیمی، فناوری نانو، مهندسی مواد، زیستفیزیک، بیوشیمی و مکانیک کوانتومی بوده است.
آنها معتقدند آینده فناوریهای پیشرفته بیش از هر زمان دیگری به پژوهشهای میانرشتهای وابسته است و دستاوردهایی از این دست میتواند راه را برای نسل جدیدی از تجهیزات پزشکی هوشمند و سامانههای الکترونیکی الهامگرفته از طبیعت هموار کند.
نظر شما