باستخدام بكتيريا نافعة.. علماء يبتكرون بطاريات "قابلة للذوبان"

نجح باحثون من جامعة ولاية نيويورك في بينغهامتون الأميركية في تصميم بطارية مؤقتة قابلة للتحلل بالكامل وتعمل بـ "البروبيوتيك"، أي البكتيريا النافعة التي نستهلكها في الأغذية والمكملات الصحية. ويهدف هذا الابتكار إلى تمكين جيل جديد من الأجهزة الإلكترونية، القابلة للاستخدام لمرة واحدة دون ترك أثر ضار على الجسم أو البيئة.
هذا الابتكار العلمي جاء في إطار الجهود المتواصلة لتطوير ما يعرف بالإلكترونيات "المتحللة" أو "المؤقتة"، وهي أجهزة صُممت لتؤدي وظيفة محددة لفترة قصيرة، ثم تذوب تلقائيًا بطريقة آمنة بعد انتهاء مهمتها. وقد نُشرت الدراسة في دورية "سمول" المتخصصة في علوم وتقنيات النانو.
يقول سيخوين تشوي، مدير مختبر الإلكترونيات الحيوية والأنظمة الدقيقة بجامعة ولاية نيويورك في بينغهامتون، والمشارك في الدراسة، في تصريحات حصرية للجزيرة نت: "كان دافعنا الأساسي هو تطوير مصدر طاقة آمن وصديق للبيئة للأجهزة الإلكترونية المؤقتة".
التخلص من السمّية
عبر تاريخ تقنيات البطاريات الحيوية، ظل استخدام البكتيريا كمصدر للطاقة مرهونًا بخطرين رئيسيين؛ السُمية والمخاطر البيئية. غالبًا ما تعتمد البطاريات الميكروبية على بكتيريا مُعدلة وراثيًا أو سلالات مسببة للأمراض، مما يثير تساؤلات حول السلامة، خاصة عند استخدامها داخل الجسم البشري أو في الطبيعة.
لكن الدراسة الجديدة تتبنى توجهًا مختلفًا. يقول تشوي: "اتجهنا نحو البروبيوتيك، وهي بكتيريا مألوفة في النظام الغذائي البشري والميكروبيوم، مما أتاح لنا ابتكار بطارية غير سامة، ومتوافقة حيويًا، وقابلة للذوبان بالكامل".
يمثل هذا النهج طفرة حقيقية، إذ يعالج بشكل مباشر القيود التنظيمية والصحية التي منعت استخدام البطاريات البيولوجية في التطبيقات الطبية والبيئية. المثير في الأمر أن البطارية لا تعتمد على نوع واحد من البروبيوتيك، بل على مزيج مأخوذ من مكملات غذائية معروفة.
يوضح تشوي: "تم اختيار خليط من 15 سلالة من مكملات بروبيوتيك تجارية ليعكس تنوعًا وراثيًا واسعًا. نعتقد أن التفاعلات الأيضية المتبادلة بين هذه السلالات المتنوعة تعزز النشاط التأكسدي والاختزالي. رغم أن البكتيريا موجبة الجرام عادة ما تملك قدرات ضعيفة لنقل الإلكترونات خارج الخلية، فإن تآزرها في بيئتنا المصممة هندسيًا يبدو كافيًا لتوليد تيار كهربائي مفيد".
تشير البيانات التجريبية إلى نجاح التعاون المعقد لمكونات هذا الخليط في توليد الكهرباء، إما عن طريق التخمير أو إفراز جزيئات ناقلة للإلكترونات.
تقنية ذكية للاستجابة الحمضية
تتغذى البكتيريا النافعة على مواد موضوعة داخل البطارية، وخلال عملية الهضم (أو التخمير)، تطلق البكتيريا إلكترونات وهي الجزيئات نفسها التي تنقل الكهرباء في الأسلاك. تمر الإلكترونات التي تطلقها البكتيريا عبر سلك صغير أو مادة موصلة، لتوليد تيار كهربائي يمكن استخدامه لتشغيل جهاز بسيط مثل مستشعر صغير داخل الجسم.
في هذا السياق، فإن البطارية محمية بغشاء خاص لا يذوب إلا في بيئة ذات حامضية محددة، وعندما تدخل البطارية هذه البيئة، يبدأ الغشاء بالذوبان، مما يفتح الطريق أمام الماء والبكتيريا لتبدأ في إنتاج الطاقة. بعد أن تنفذ الطاقة أو تنتهي المهمة، تذوب البطارية بالكامل، ولا تترك خلفها أي مواد سامة أو بقايا، لأن كل مكوناتها تقريبًا قابلة للتحلل.
يشرح تشوي: "الإنجاز الأهم في بحثنا هو دمج الطاقة الحيوية المستندة إلى البروبيوتيك مع تصميم قابل للذوبان بالكامل. بطاريتنا هي الأولى التي تستخدم فقط مواد غذائية آمنة وبكتيريا غير ضارة في هيئة مدمجة وقابلة للذوبان بالكامل. الغشاء الحساس للحموضة يضيف طبقة من التحكم الذكي، مما يتيح تشغيل الجهاز فقط في بيئة حمضية مثل المعدة."
هذه التقنية تفتح الباب أمام استخدام البطارية في أجهزة طبية قابلة للبلع، مثل أجهزة قياس درجة الحموضة أو توصيل الأدوية الذكية، التي تعمل فقط بعد دخولها المعدة دون الحاجة لاستخراجها مرة أخرى.
يعلق تشوي: "بينما يستجيب غشاؤنا الحساس جيدًا لمستويات الحموضة في المعدة (1.5 إلى 3.5)، فإن التفاوت بين الأفراد قد يؤثر على الأداء. لذلك، نعمل على تطوير أغشية متعددة الطبقات أو مزج البوليمرات لتوفير تحلل متدرج وأكثر دقة. وفي التطبيقات البيئية، مثل مراقبة المياه الملوثة، قد نضيف محفزات مزدوجة مثل درجات الحموضة والحرارة لزيادة الانتقائية والموثوقية".
تحديات تواجه البطارية القابلة للذوبان
بحسب الباحثين، فالبطارية الجديدة ما زالت في مرحلة "إثبات المفهوم"، أي أن البطارية الحالية لا تزال تحتاج إلى تطوير قبل دخولها السوق. نحن أمام نموذج أولي من وحدة واحدة، في حين تحتاج التطبيقات الواقعية إلى بطاريات متعددة موصولة على التوالي أو التوازي لرفع الجهد والتيار.
يوضح تشوي: "نرى تطبيقات واعدة في التغليف الذكي للأغذية، حيث يمكن استخدام البطارية لتشغيل مؤشرات نضارة تتحلل مع العبوة. وكذلك في الأجهزة المستخدمة ميدانيًا في الجيش أو أثناء الكوارث، إذ قد يحتاج الجنود أو عمال الإغاثة إلى أجهزة تشخيصية قابلة للبلع ولا تحتاج إلى استرجاع".
رغم هذه الإمكانيات الواعدة، فإن الفريق يقر بأن هناك تحديات أمام تعميم هذه التقنية، على رأسها زيادة كثافة الطاقة، وتمديد وقت التشغيل، وخفض تكاليف التصنيع، والحصول على الموافقات التنظيمية. ورغم اعتماد الباحثين على مواد آمنة بيئيًا، فإن مشروعهم لم يخل من بعض نقاط الضعف، مثل استخدام شمع البرافين في تصنيع البطارية، والذي لا يعد قابلاً للهضم.
ويعلق تشوي: "صحيح أننا استخدمنا شمع البرافين لما يتمتع به من سهولة التشكيل والاستقرار البنيوي، لكنه ليس قابلًا للهضم بشكل كامل. لذا، نبحث حاليًا عن بدائل مثل الكبسولات المصنوعة من الجيلاتين، أو الأغلفة متعددة السكريات، أو حتى أفلام الكيتوسان، التي توفر حماية ميكانيكية مماثلة وتذوب بأمان في البيئات المائية أو الحمضية".
تتجسد أهمية هذا الابتكار في قدرته على الجمع بين السلامة البيئية، والفعالية الحيوية، والتحكم الذكي. بطارية تُصنع من مواد غذائية، تعمل بالبكتيريا النافعة، وتتحلل تلقائيًا بعد أداء وظيفتها، وكأنها لم تكن. وربما بعد سنوات قليلة، عندما تبتلع جهازًا صغيرًا لقياس السكر أو تحليل مستوى الالتهاب في معدتك، لن تفكر كثيرًا فيما يحدث له بعد ذلك. فبفضل البكتيريا النافعة، سينهي مهمته، ويذوب في صمت.

جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا

اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:

التعلم مع الذكاء الاصطناعيالتحقق من الحقائقتحويل النص إلى كلامملخص الذكاء الاصطناعي

أخبار ذات صلة

الجزيرة

منذ ساعة واحدة

• الجزيرة

"أمورفوس" نظام آلي لقيادة جيوش المسيّرات في حروب المستقبل

ألقى موقع "إنسايد أوفر" الإيطالي الضوء على مشروع "أمورفوس" الأميركي الذي يهدف إلى التحكم في "جيوش من المسيرات" ذاتية التنظيم، ويفتح الباب أمام نمط جديد من الحروب. وقال الكاتب دافيدي بارتوتشيني في التقرير إن حروب المستقبل ستدور على 5 ميادين، وهي الجو والأرض والبحر والفضاء والفضاء السيبراني، وسوف تُدار بالإشارات الفورية التي توجّه الأسلحة الذاتية التشغيل، سواء كانت مسيرات تعمل بالذكاء الاصطناعي، أو يتم التحكم بها عن بُعد عبر فرق من المشغّلين ذوي الكفاءة العالية. وتشكّل هذه الرؤية أساس خطط معقدة تهدف إلى إطلاق المعارك ليس عبر نظام واحد كما هو الحال مع المسيرات الحالية، أو عبر تشكيلات جوية مستقبلية تضم مساعدين للطائرات المقاتلة من الجيل السادس، بل عبر جيوش كاملة من الطائرات المسيّرة التي تعمل بتنسيق كامل فيما بينها. تقدم كبير وأوضح الكاتب أن الولايات المتحدة التي تخلّفت في سباقات تسلّح أخرى -مثل الأسلحة الفائقة السرعة- أحرزت تقدما كبيرا في أنظمة التحكم بأسراب المسيّرات. يعتقد البنتاغون أن التكنولوجيات الجديدة التي ستدير "أسراب الطائرات المسيّرة ذات النطاق الترددي المنخفض والاستقلالية العالية" قد تصبح قريبا واقعا فعليا. وهذا من شأنه أن يتيح للجيش الأميركي تنفيذ عمليات بواسطة فرق صغيرة قادرة على إدارة مئات أو آلاف المسيرات بشكل متزامن وبأقصى قدر من الكفاءة. وتشمل هذه العمليات المسيرات التقليدية من الجيل الأول التي غيّرت قواعد العمليات العسكرية في الشرق الأوسط، أو الزوارق المسيّرة عن بُعد، مثل تلك التي استخدمتها وحدات الكوماندوز الأوكرانية على نطاق واسع في البحر الأسود، أو الدبابات الروبوتية الصغيرة التي نشرها الكرملين على الجبهة الأوكرانية. جيوش من المسيّرات وذكر الكاتب أن البرنامج الجديد لتوجيه أسراب الطائرات المسيّرة، الذي أطلقته شركة "إل ثري هاريس" الأميركية بداية العام الجاري، وسلسلة العمليات التي تم تنفيذها ميدانيا عبر أنظمة تسليح جديدة تُدار عن بُعد في الجو والبر والبحر، تفتح نافذة على حروب المستقبل. إعلان وأضاف أن الحروب المقبلة قد تتواجه فيها جيوش حقيقية من المسيرات في ساحات قتال تمتد من حدود أوروبا إلى القطب الشمالي، ومن الصحراء إلى أعماق المحيطات، وهو ما من شأنه تقليل الخسائر البشرية، لكن دون أن يمحو التأثيرات والأضرار. وأفاد مسؤولو شركة "إل ثري هاريس" أنه في المستقبل غير البعيد، قد يتمكّن فريق من القوات الخاصة، أو حتى مشغّل واحد، من التحكم بعشرات الطائرات المسيّرة من أنواع مختلفة -برّية وبحرية وجوية- لتنفيذ عمليات حربية معقدة أو بسيطة. وأكدت الشركة أنها أجرت بالفعل اختبارات مموّلة من الحكومة الأميركية. ويقول الكاتب إن هذا التطور المثير يأتي في وقت يواجه فيه البنتاغون صعوبة في إدارة أسراب المسيرات خلال الصراعات الحالية التي تتسم بهجمات كهرومغناطيسية تستهدف التشويش على الاتصالات. وينقل الكاتب عن موقع "ديفينس وان" أن شركة "إل ثري هاريس" تسلك نهجا يهدف إلى تقليل تبادل البيانات بين المشغّل والسرب إلى الحد الأدنى، مما يزيد العبء على قدرات الذكاء الاصطناعي الموجودة على متن الطائرة المسيّرة نفسها. ويؤكد مسؤولو الشركة أن نظام "أمورفوس" الذي يعملون على تطويره يقوم على مبدأ أن "الطائرات المسيّرة عالية الاستقلالية" يجب أن تفهم عملها بشكل جماعي، وأن تتعاون فيما بينها بأقل قدر ممكن من التدخل البشري. وحسب المطوّرين، يجب على المسيرات أن تفهم كيفية تنفيذ مختلف جوانب المهمة باستخدام تعليمات محدودة واتصالات ضئيلة، دون أن يحتاج المشغّل إلى إصدار أوامر مفصّلة، ويمكن له في المقابل مراقبة حالة السرب وتتبع تحركاته وتعديل المهام الموكلة إلى كل وحدة بشكل فوري. تحوّل جوهري يقول المطوّرون إن النهج الذي يتّبعه نظام "أمورفوس" يُمثّل تغييرا جوهريا بالمقارنة مع مستوى "التحكّم" الذي كان يميّز عمليات المسيرات خلال المهمات الأميركية في الشرق الأوسط، حيث كان المحلّلون والمشغّلون يجلسون ساعات طويلة يراقبون مئات الساعات من البث الحي القادم من الطائرات المسيّرة. ويختم الكاتب بأن العنصر الأهم في منظومة التحكم المستقبلية هو "القدرة على إيقاف العمليات الآلية التي لا تتوافق مع خطط القادة"، ما يعني أن القرار النهائي يعود للإنسان وليس للآلات، وهي مسألة تشغل كل من يراقب في مخاطر الذكاء الاصطناعي وقراراته الذاتية.

الجزيرة

منذ 5 ساعات

• الجزيرة

لماذا غاب مبابي عن تدريب ريال مدريد ولقاء بيريز قبل مواجهة الهلال؟

ذكرت صحيفة "ماركا" الرياضية الإسبانية أن النجم الفرنسي كيليان مبابي غاب عن آخر حصة تدريبية قبل مشاركته الأولى ضد الهلال السعودي في كأس العالم للأندية لكرة القدم 2025 بسبب المرض وارتفاع في درجة الحرارة. وقالت الصحيفة إن مبابي لم يتدرب في الحصة التدريبية الأخيرة في ميامي الأميركية قبل مباراة الغد (الأربعاء) ضد الهلال، وتحوم الشكوك حول مشاركته في المباراة، إذ تشير درجة الحرارة المرتفعة إلى ضرورة تجنب إجهاد اللاعب. وأضافت أن مبابي تدرب بشكل طبيعي نسبيًا أمس الاثنين، إلا أنه عند وصوله إلى الفندق لزم غرفته وأبلغ الجهاز الفني أنه ليس على ما يرام حتى إنه تغيب عن الغداء مع الفريق، وسارع الجهاز الطبي إلى تقديم الرعاية اللازمة للاعب الذي لم يتمكن من المشاركة في جلسة تصوير الاتحاد الدولي لكرة القدم (فيفا)، كما لم يتمكن أيضًا من مقابلة فلورنتينو بيريز رئيس نادي ريال مدريد والذي وصل لدعم الفريق أمس. ويتدرب فريق ريال مدريد هذه الأيام في درجات حرارة تبلغ 30 درجة مئوية ورطوبة 75%، وهي ظروف من المتوقع أن تكون أكثر صعوبة خلال المباراة.

الجزيرة

منذ 6 ساعات

• الجزيرة

باستخدام بكتيريا نافعة.. علماء يبتكرون بطاريات "قابلة للذوبان"

نجح باحثون من جامعة ولاية نيويورك في بينغهامتون الأميركية في تصميم بطارية مؤقتة قابلة للتحلل بالكامل وتعمل بـ "البروبيوتيك"، أي البكتيريا النافعة التي نستهلكها في الأغذية والمكملات الصحية. ويهدف هذا الابتكار إلى تمكين جيل جديد من الأجهزة الإلكترونية، القابلة للاستخدام لمرة واحدة دون ترك أثر ضار على الجسم أو البيئة. هذا الابتكار العلمي جاء في إطار الجهود المتواصلة لتطوير ما يعرف بالإلكترونيات "المتحللة" أو "المؤقتة"، وهي أجهزة صُممت لتؤدي وظيفة محددة لفترة قصيرة، ثم تذوب تلقائيًا بطريقة آمنة بعد انتهاء مهمتها. وقد نُشرت الدراسة في دورية "سمول" المتخصصة في علوم وتقنيات النانو. يقول سيخوين تشوي، مدير مختبر الإلكترونيات الحيوية والأنظمة الدقيقة بجامعة ولاية نيويورك في بينغهامتون، والمشارك في الدراسة، في تصريحات حصرية للجزيرة نت: "كان دافعنا الأساسي هو تطوير مصدر طاقة آمن وصديق للبيئة للأجهزة الإلكترونية المؤقتة". التخلص من السمّية عبر تاريخ تقنيات البطاريات الحيوية، ظل استخدام البكتيريا كمصدر للطاقة مرهونًا بخطرين رئيسيين؛ السُمية والمخاطر البيئية. غالبًا ما تعتمد البطاريات الميكروبية على بكتيريا مُعدلة وراثيًا أو سلالات مسببة للأمراض، مما يثير تساؤلات حول السلامة، خاصة عند استخدامها داخل الجسم البشري أو في الطبيعة. لكن الدراسة الجديدة تتبنى توجهًا مختلفًا. يقول تشوي: "اتجهنا نحو البروبيوتيك، وهي بكتيريا مألوفة في النظام الغذائي البشري والميكروبيوم، مما أتاح لنا ابتكار بطارية غير سامة، ومتوافقة حيويًا، وقابلة للذوبان بالكامل". يمثل هذا النهج طفرة حقيقية، إذ يعالج بشكل مباشر القيود التنظيمية والصحية التي منعت استخدام البطاريات البيولوجية في التطبيقات الطبية والبيئية. المثير في الأمر أن البطارية لا تعتمد على نوع واحد من البروبيوتيك، بل على مزيج مأخوذ من مكملات غذائية معروفة. يوضح تشوي: "تم اختيار خليط من 15 سلالة من مكملات بروبيوتيك تجارية ليعكس تنوعًا وراثيًا واسعًا. نعتقد أن التفاعلات الأيضية المتبادلة بين هذه السلالات المتنوعة تعزز النشاط التأكسدي والاختزالي. رغم أن البكتيريا موجبة الجرام عادة ما تملك قدرات ضعيفة لنقل الإلكترونات خارج الخلية، فإن تآزرها في بيئتنا المصممة هندسيًا يبدو كافيًا لتوليد تيار كهربائي مفيد". تشير البيانات التجريبية إلى نجاح التعاون المعقد لمكونات هذا الخليط في توليد الكهرباء، إما عن طريق التخمير أو إفراز جزيئات ناقلة للإلكترونات. تقنية ذكية للاستجابة الحمضية تتغذى البكتيريا النافعة على مواد موضوعة داخل البطارية، وخلال عملية الهضم (أو التخمير)، تطلق البكتيريا إلكترونات وهي الجزيئات نفسها التي تنقل الكهرباء في الأسلاك. تمر الإلكترونات التي تطلقها البكتيريا عبر سلك صغير أو مادة موصلة، لتوليد تيار كهربائي يمكن استخدامه لتشغيل جهاز بسيط مثل مستشعر صغير داخل الجسم. في هذا السياق، فإن البطارية محمية بغشاء خاص لا يذوب إلا في بيئة ذات حامضية محددة، وعندما تدخل البطارية هذه البيئة، يبدأ الغشاء بالذوبان، مما يفتح الطريق أمام الماء والبكتيريا لتبدأ في إنتاج الطاقة. بعد أن تنفذ الطاقة أو تنتهي المهمة، تذوب البطارية بالكامل، ولا تترك خلفها أي مواد سامة أو بقايا، لأن كل مكوناتها تقريبًا قابلة للتحلل. يشرح تشوي: "الإنجاز الأهم في بحثنا هو دمج الطاقة الحيوية المستندة إلى البروبيوتيك مع تصميم قابل للذوبان بالكامل. بطاريتنا هي الأولى التي تستخدم فقط مواد غذائية آمنة وبكتيريا غير ضارة في هيئة مدمجة وقابلة للذوبان بالكامل. الغشاء الحساس للحموضة يضيف طبقة من التحكم الذكي، مما يتيح تشغيل الجهاز فقط في بيئة حمضية مثل المعدة." هذه التقنية تفتح الباب أمام استخدام البطارية في أجهزة طبية قابلة للبلع، مثل أجهزة قياس درجة الحموضة أو توصيل الأدوية الذكية، التي تعمل فقط بعد دخولها المعدة دون الحاجة لاستخراجها مرة أخرى. يعلق تشوي: "بينما يستجيب غشاؤنا الحساس جيدًا لمستويات الحموضة في المعدة (1.5 إلى 3.5)، فإن التفاوت بين الأفراد قد يؤثر على الأداء. لذلك، نعمل على تطوير أغشية متعددة الطبقات أو مزج البوليمرات لتوفير تحلل متدرج وأكثر دقة. وفي التطبيقات البيئية، مثل مراقبة المياه الملوثة، قد نضيف محفزات مزدوجة مثل درجات الحموضة والحرارة لزيادة الانتقائية والموثوقية". تحديات تواجه البطارية القابلة للذوبان بحسب الباحثين، فالبطارية الجديدة ما زالت في مرحلة "إثبات المفهوم"، أي أن البطارية الحالية لا تزال تحتاج إلى تطوير قبل دخولها السوق. نحن أمام نموذج أولي من وحدة واحدة، في حين تحتاج التطبيقات الواقعية إلى بطاريات متعددة موصولة على التوالي أو التوازي لرفع الجهد والتيار. يوضح تشوي: "نرى تطبيقات واعدة في التغليف الذكي للأغذية، حيث يمكن استخدام البطارية لتشغيل مؤشرات نضارة تتحلل مع العبوة. وكذلك في الأجهزة المستخدمة ميدانيًا في الجيش أو أثناء الكوارث، إذ قد يحتاج الجنود أو عمال الإغاثة إلى أجهزة تشخيصية قابلة للبلع ولا تحتاج إلى استرجاع". رغم هذه الإمكانيات الواعدة، فإن الفريق يقر بأن هناك تحديات أمام تعميم هذه التقنية، على رأسها زيادة كثافة الطاقة، وتمديد وقت التشغيل، وخفض تكاليف التصنيع، والحصول على الموافقات التنظيمية. ورغم اعتماد الباحثين على مواد آمنة بيئيًا، فإن مشروعهم لم يخل من بعض نقاط الضعف، مثل استخدام شمع البرافين في تصنيع البطارية، والذي لا يعد قابلاً للهضم. ويعلق تشوي: "صحيح أننا استخدمنا شمع البرافين لما يتمتع به من سهولة التشكيل والاستقرار البنيوي، لكنه ليس قابلًا للهضم بشكل كامل. لذا، نبحث حاليًا عن بدائل مثل الكبسولات المصنوعة من الجيلاتين، أو الأغلفة متعددة السكريات، أو حتى أفلام الكيتوسان، التي توفر حماية ميكانيكية مماثلة وتذوب بأمان في البيئات المائية أو الحمضية". تتجسد أهمية هذا الابتكار في قدرته على الجمع بين السلامة البيئية، والفعالية الحيوية، والتحكم الذكي. بطارية تُصنع من مواد غذائية، تعمل بالبكتيريا النافعة، وتتحلل تلقائيًا بعد أداء وظيفتها، وكأنها لم تكن. وربما بعد سنوات قليلة، عندما تبتلع جهازًا صغيرًا لقياس السكر أو تحليل مستوى الالتهاب في معدتك، لن تفكر كثيرًا فيما يحدث له بعد ذلك. فبفضل البكتيريا النافعة، سينهي مهمته، ويذوب في صمت.