ما هو القاسم المشترك بين الأشياء التالية: جهاز طبي مزروع مزود بمصدر طاقة خاص به، وروبوت اسفنجي يشبه الإنسان، وكيف نسمع أصوات الأشياء المختلفة؟ تكمن الإجابة عن سبب تشابه هاتين الظاهرتين التكنولوجيتين والبيولوجيتين المختلفتين في كيفية تغيير المواد التي تتكون منها حجمها وشكلها بشكل كبير عند إرسال إشارة كهربائية. يمكن لبعض المواد في الطبيعة أن تعمل كمحول للطاقة يتغير شكله عند إرسال إشارة كهربائية أو يوفر الكهرباء عند تحفيزها. وهذا ما يسمى بالكهرباء الضغطية، وهو مفيد في تصنيع أجهزة الاستشعار وإلكترونيات الليزر، من بين أشياء أخرى. ومع ذلك، فإن هذه المواد الطبيعية نادرة وتتكون من هياكل بلورية صلبة غالبًا ما تكون سامة للإنسان. توفر البوليمرات الاصطناعية خطوات للتخفيف من هذه العيوب الرئيسية من خلال القضاء على النقص في المواد وإنشاء بوليمرات ناعمة يمكن أن تنحني وتتمدد، والمعروفة باسم اللدائن المرنة. في السابق، كانت هذه اللدائن الناعمة تفتقر إلى الخصائص الكهرضغطية الرئيسية. للتغلب على هذا العيب، يقدم كوسار مظفري، طالب دراسات عليا في كلية الهندسة بجامعة هيوستن كولين، وبراديب شارما، أستاذ دكتوراه في الطب أندرسون ورئيس قسم الهندسة الميكانيكية في جامعة هيوستن، وماثيو جراسينجر، LUCI باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر أبحاث القوات الجوية.
وقال شارما: "هذه النظرية تربط بين الكهرباء والحركة الميكانيكية في المواد المطاطية الناعمة". في حين أن بعض البوليمرات تكون كهرضغطية ضعيفة، إلا أنه لا توجد مواد مطاطية ناعمة تمتلك خصائص كهرضغطية. يحاول هؤلاء العلماء من خلال جهودهم إظهار كيفية زيادة الأداء الكهربائي المرن في المواد اللينة. قال مظفري: "إن الطاقة المرنة في معظم المواد المطاطية الناعمة ضعيفة للغاية"، ولكن من خلال إعادة ترتيب السلاسل في وحدات الخلايا على المستوى الجزيئي، تظهر نظريتنا أن اللدائن يمكن أن تتمتع بقدرة كهربائية مرنة أعلى بعشر مرات تقريبًا من الكمية التقليدية.
فوائد هذه النظرية الجديدة تتجاوز ذلك. في عملية البحث، ظهرت القدرة على تصميم خلية وحدة تكون ثابتة وممتدة أو تظل دون تغيير في حالة حدوث تحول في السلالة غير المرغوب فيه. قال مظفري: "بالنسبة لبعض التطبيقات، هناك حاجة إلى توليد كمية محددة من الكهرباء بغض النظر عن تشوه التمدد، بينما بالنسبة للتطبيقات الأخرى، يلزم توليد أكبر قدر ممكن من الكهرباء، وقد صممنا لكليهما". "في بحثنا، اكتشفنا طريقة لجعل استطالة وحدة الخلية ثابتة. وأضاف أن الطبيعة القابلة للضبط للاتجاه الكهروضوئي يمكن أن تكون مفيدة في صنع روبوتات سلسة وأجهزة استشعار سلسة. بمعنى آخر، يمكن التحكم في كمية الطاقة الكهربائية الناتجة عن المحفزات المختلفة للسماح للأجهزة بتنفيذ الإجراءات المستهدفة. وهذا يمكن أن يضعف أداء الأجهزة الإلكترونية المكتفية ذاتيا. وفي الخطوات القليلة القادمة، سيتم اختبار هذه النظرية في المختبر باستخدام التطبيقات الممكنة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الجهود المبذولة لتحسين التأثير الكهربي المرن في اللدائن الناعمة ستكون محور المزيد من التحقيقات.
