دست رباتیک جدید می‌تواند به‌طور مستقل راه برود، کلیدها را فشار دهد و اشیاء را جابه‌جا کند

برای بسیاری از ما، آخرین (و تنها) باری که شاهد یک «دستِ راه‌رونده» بوده‌ایم، شخصیت «ثینگ» (Thing) در فیلم‌ها یا سریال‌های «خانواده آدامز» بوده است.

اما اکنون نمونه دیگری نیز وجود دارد. مهندسان «آزمایشگاه رباتیک نرم» در دانشگاه ETH زوریخ، یک دست رباتیکِ جداگانه و آماده‌به‌بازار را به‌گونه‌ای تغییر داده‌اند که می‌تواند روی سطوح مختلف حرکت کند (بخزد)، تعادل خود را حفظ نماید و با محیط پیرامونش تعامل داشته باشد.

اما این صرفاً یک ترفند علمی-تخیلی نیست؛ دست‌های رباتیک با قابلیت تحرک کامل می‌توانند در فضاهایی که دسترسی به آن‌ها دشوار است، کارآمد باشند.

تیم پژوهشی می‌گوید: «یک دست رباتیک که از قابلیت حرکت مستقل برخوردار است، می‌تواند در فضاهای کاری محدود فعالیت کند، بدون آنکه نیازی باشد بازویی که معمولاً آن را حمل می‌کند، به دنبالش حرکت کند.»

دست‌های رباتیک نه‌چندان کارآمد

تاکنون، دست‌های رباتیکی که سعی در راه رفتن به‌تنهایی داشتند، با یک مشکل بزرگ در طراحی مواجه می‌شدند. پروژه‌های قبلی با دادن انگشتان متقارن به دست‌ها، آن‌ها را به راه رفتن وا می‌داشتند.

این کار خزیدن را آسان‌تر می‌کرد، اما به معنای دور شدن از انگشتان نابرابر و شست مخالفِ یک دست رباتیک معمولی شبیه انسان بود.

این تفاوت‌ها در شکل و اندازه انگشتان به دست‌های رباتیک استاندارد کمک می‌کند تا اشیای روزمره را کنترل کنند.

اما طول ناهموار آن‌ها، راه رفتن بدون واژگون شدن را دشوارتر می‌کند؛ زیرا هر نوک انگشت دسترسی متفاوتی دارد.

تیمی به رهبری امیر کاظمی با آموزش حفظ تعادل، خزیدن و کار مستقل به یک دست رباتیک معمولی با انگشتان نابرابر، بر این محدودیت‌ها غلبه کردند.

این تیم نحوه انجام این کار را در مقاله‌ای که در سرور پیش‌چاپ arXiv ارسال شده است، شرح می‌دهد.

این تیم یک باتری، حسگرهای حرکتی و یک کامپیوتر مینیاتوری را در پشت دست رباتیک نصب کردند و با استفاده از یادگیری تقویتی در یک شبیه‌ساز کامپیوتری، به آن حرکت و تعادل را آموزش دادند و سپس آن را آزمایش کردند.

این دست روی ۱۴ سطح مختلف داخلی و خارجی، از جمله فرش، شن، چمن و توری فلزی، خزید. در ۲۵ آزمایشی که با دراز کشیدن آن به دو طرف شروع شد، خود را به عقب هل داد و ۲۱ بار حالت خود را بازیابی کرد.

به کار انداختن انگشتان

این ربات وظایف دیگری را نیز انجام داد. در حالی که وزن خود را روی چهار انگشت متعادل می‌کرد، انگشت دیگر خود را بلند کرد تا چهار کلید جهت‌نمای مختلف را فشار دهد. از ۳۲ بار، ۲۹ بار کلید صحیح را زد.

در آزمایش دیگری، دست به سمت یک بلوک کوچک رفت و آن را روی یک میز هل داد و در طول ۱۵ آزمایش، آن را در فاصله دو سانتی‌متری (۰.۸ اینچ) از نقطه هدف قرار داد.

با نگاهی به آینده، این تیم معتقد است که رویکردش می‌تواند نحوه عملکرد ربات‌های متحرک در محیط‌های انسانی را تغییر دهد.

«دادن قابلیت حرکت به دست‌های رباتیک می‌تواند ربات‌های آینده را در فضاها و رابط‌های ساخته‌شده برای انسان‌ها، تطبیق‌پذیرتر کند.»

 

تاریخ:1405/7/12

مهسا نعمتی

فقط ۵۰ درجه سانتیگراد تعیین می‌کند که آیا یک فیلم مغناطیسی فوق نازک صاف می‌ماند یا از هم می‌پاشد

فناوری‌های ذخیره‌سازی مغناطیسی که اطلاعات را در جهت مغناطیسی کردن ذخیره می‌کنند، نقش اساسی در ذخیره‌سازی داده‌های مدرن دارند. هارد دیسک‌ها (HDD) به طور گسترده برای ذخیره‌سازی طولانی مدت استفاده می‌شوند، در حالی که حافظه دسترسی تصادفی مغناطیسی غیرفرار (MRAM) به عنوان جایگزینی امیدوارکننده برای حافظه فلش در حال ظهور است.

این دستگاه‌ها بر پایه لایه‌های نازک آلیاژ مغناطیسی اپیتاکسیال هستند که در آن‌ها دو گونه اتمی در لایه‌های متناوب در امتداد یک جهت کریستالوگرافی واحد چیده شده‌اند. این ساختار یک انرژی ناهمسانگردی مغناطیسی-بلوری (MAE) بزرگ ایجاد می‌کند که حالت مغناطیسی را پایدارتر کرده و از واژگونی تصادفی ذره‌های ذخیره شده جلوگیری می‌کند.

هرچه آرایش اتمی که با درجه نظم L10 اندازه‌گیری می‌شود منظم‌تر باشد، MAE و پایداری حرارتی هر ذره مغناطیسی بیشتر است.

با این حال، تولید لایه‌هایی با درجه بالایی از نظم L10 و سطح مسطح اتمی همچنان یک چالش بزرگ است. گرمایش در دمای بالا، نظم اتمی را بهبود می‌بخشد، اما با بزرگتر شدن دانه‌ها، لایه را ناهموارتر نیز می‌کند.

در مطالعه‌ای که به صورت آنلاین در مجله آلیاژها و ترکیبات در دسترس قرار گرفت، محققان دانشگاه تویاما در ژاپن بررسی کردند که چگونه لایه‌های نازک L10-FePd با ضخامت 5 نانومتر در طی یک فرآیند گرمایش دو مرحله‌ای تکامل می‌یابند.

این مطالعه توسط پروفسور هیروشی ناگانوما از دانشگاه تویاما رهبری شد.

لایه‌های نازک L10-FePd به ویژه برای MRAM امیدوارکننده هستند، زیرا میرایی مغناطیسی پایین آنها اجازه می‌دهد تا مغناطیسی کردن آنها با استفاده از انرژی بسیار کمی تغییر کند.

گرمایش در دو مرحله

برخلاف روش‌های مرسوم، فرآیند گرمایش دو مرحله‌ای از قرار گرفتن فیلم در معرض دمای بالا در طول رشد آن جلوگیری می‌کند.

 نکته مهم این است که این تیم همچنین نقش یک پدیده نانومقیاس معروف به رطوبت‌زدایی حالت جامد (SSD) را بررسی کرد، که در آن اتم‌ها در طول گرمایش در سراسر فیلم‌های فوق نازک پخش می‌شوند و باعث می‌شوند که اگر انرژی آزاد سطح آن بسیار بیشتر از زیرلایه زیرین باشد، فیلم پیوسته به سوراخ‌ها یا جزایر جدا شده شکسته شود.

ناگانوما می‌گوید: "اگرچه SSD در فیلم‌های نازک بارزتر است، اما هیچ گزارشی در مورد تأثیر SSD بر فرآیند گرمایش دو مرحله‌ای برای فیلم‌های اپیتاکسیال آلیاژ L10-FePd با ضخامت کمتر از 5 نانومتر وجود ندارد."

محققان این فیلم‌ها را با استفاده ازپوشش‌دهی مگنترون فرکانس رادیویی ساختند. آنها ابتدا اتم‌های Fe و Pd را روی یک زیرلایه تیتانات استرانسیوم در دمای نسبتاً پایین رسوب دادند. در این شرایط، اتم‌ها نزدیک به جایی که ابتدا فرود آمده بودند، باقی ماندند و به فیلم اجازه دادند تا به آرامی لایه به لایه رشد کند.

پس از خنک کردن نمونه تا دمای اتاق، محققان آن را تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد (۱۱۱۲ درجه فارنهایت) گرم کردند. این مرحله دوم گرمایش، انرژی کافی را برای اتم‌های آهن و پالادیوم فراهم کرد تا به ساختار کریستالی بسیار منظم L10 بازآرایی شوند.

نقطه عطف ۵۰ درجه‌ای

محققان دریافتند که تغییر دمای گرمایش اول تنها به میزان ۵۰ درجه سانتیگراد، به شدت بر نحوه تکامل فیلم در طول مرحله دوم آنیل تأثیر می‌گذارد.

در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد (۳۰۲ درجه فارنهایت)، فیلم صاف و پیوسته باقی ماند و لایه به لایه در حالتی که به عنوان حالت رشد فرانک-وان در مرو شناخته می‌شود، رشد کرد.

 در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد (۳۹۲ درجه فارنهایت)، انتشار اتمی برای شروع SSD کافی بود و به فیلم اجازه می‌داد تا به ترتیب تقریباً کامل L10 دست یابد و در عین حال سوراخ‌های مربعی تشکیل دهد که به داخل زیرلایه نفوذ می‌کنند.

 در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد (۵۷۲ درجه فارنهایت)، فیلم به مورفولوژی ناهموار و جزیره‌ای تبدیل شد.

محاسبات اصول اولیه نشان داد که SSD توسط اختلاف انرژی آزاد سطحی بین فیلم و زیرلایه هدایت می‌شود، اما تنها زمانی شروع می‌شود که نقص‌های ایجاد شده در طول مرحله اول گرمایش، فرآیند را آغاز کنند.

مسیرهای مختلف برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی

یافته‌ها نشان می‌دهد که کنترل دمای گرمایش اول، راهی ساده برای تنظیم ساختار و خواص مغناطیسی فیلم‌های بسیار نازک FePd فراهم می‌کند.

 برای مثال، محققان اظهار می‌کنند که لایه‌های نازک رشد یافته در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد (۳۰۲ درجه فارنهایت) به دلیل سطح صاف و ناهمسانگردی مغناطیسی عمودی قوی، برای MRAM مناسب‌ترین هستند.

 در مقابل، SSD کنترل‌شده مشاهده‌شده در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد (۳۹۲ درجه فارنهایت) می‌تواند ساختارهای مغناطیسی خودسازمان‌یافته را برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی با چگالی بالا نسل بعدی امکان‌پذیر کند.

این استراتژی می‌تواند به توسعه مواد ضبط مغناطیسی فوق‌العاده کم‌مصرف برای HDDها و MRAMهای آینده کمک کند و چگالی ذخیره‌سازی را افزایش داده و در عین حال مصرف انرژی را کاهش دهد.

ناگانوما می‌گوید: "این یافته‌ها یک طرح استراتژیک برای بهره‌برداری از ناپایداری‌های ترمودینامیکی در مقیاس نانو بر اساس فرآیند گرمایش دو مرحله‌ای ارائه می‌دهند تا مسیرهای جدیدی را برای مهندسی ناهمسانگردی مغناطیسی و نانوساختارها در دستگاه‌های اسپینترونیک ارائه دهند."

 

تاریخ:1405/5/25

مهسا نعمتی

فناوری نانو در انرژی‌های تجدیدپذیر انقلابی در انرژی خورشیدی و بادی برای فردایی سبزتر

هر ساله برای برآوردن نیازهای رو به رشد فناوری در جامعه مدرن، به انرژی بیشتری نیاز است.

در حالی که سوخت‌های فسیلی هنوز منبع انرژی غالب هستند، تمرکز بیشتری بر فناوری‌های برداشت انرژی تجدیدپذیر برای مقابله با تغییرات اقلیمی و گرمایش جهانی معطوف شده است.

مدتی طول کشیده است، اما منابع انرژی تجدیدپذیر زیادی وجود دارند که برخی از آنها مؤثرتر از سایرین هستند.

نانومواد، فناوری‌های مختلف انرژی تجدیدپذیر را از دستگاه‌های مختلف ذخیره‌سازی انرژی گرفته تا روش‌های برداشت انرژی، بهبود بخشیده‌اند.

 آنها برای اطمینان از اینکه جهان در صورت تغییر به سمت یک جامعه عمدتاً مبتنی بر انرژی تجدیدپذیر، انرژی کافی دریافت می‌کند، کلیدی خواهند بود.

نانوفناوری همچنین به ایجاد معماری‌های جدید برداشت انرژی - مانند برداشت‌کننده‌های انرژی پوشیدنی، کمک می‌کند که در غیر این صورت با سایر مواد امکان‌پذیر نبود.

نانومواد مزایا و نوآوری‌های متعددی را برای فضای انرژی تجدیدپذیر به ارمغان می‌آورند، اما بسیاری هنوز فکر می‌کنند که تغییر به نانوانرژی برای تجاری‌سازی در مقیاس بزرگ به اندازه کافی مقرون به صرفه نخواهد بود.

با این حال، این درست نیست. اغلب اوقات فقط مقدار کمی نانوماده برای ایجاد مزایای عملکردی مورد نیاز است. اگرچه نانومواد گاهی اوقات می‌توانند گران‌تر باشند، اما مقدار کم مورد نیاز در هر دستگاه یا سیستم مواد، هزینه بالاتر را جبران می‌کند.

بنابراین، در درازمدت، این پتانسیل وجود دارد که نه تنها انرژی بیشتری برای برآوردن نیازهای رو به رشد جهان برداشت شود، بلکه می‌تواند مقرون به صرفه‌تر نیز باشد.

اگر انرژی تجدیدپذیر بتواند به اندازه کافی کارآمد شود تا بخش عمده‌ای از انرژی جهان را تأمین کند، جهان ابزار انرژی بسیار مقرون‌به‌صرفه‌ای خواهد داشت (تا زمانی که بتوانیم همه آن را ذخیره کنیم که فناوری نانو نیز در ایجاد دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی کارآمدتر به آن کمک می‌کند) که به نگهداری نیروگاه‌های بزرگ و پرداخت هزینه استخراج و جابجایی سوخت‌های فسیلی وابسته نخواهد بود.

طبیعتاً، هزینه‌های نگهداری دیگری نیز در ارتباط با نگهداری فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر و همچنین هزینه تهیه و تولید مواد جدید برای سیستم‌های ذخیره انرژی وجود خواهد داشت، اما فناوری نانو می‌تواند به ایجاد آینده‌ای پاک‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر کمک کند و امروز این کار را انجام می‌دهد.

در اینجا، به دو مورد از حوزه‌های کلیدی تجدیدپذیر رایج در جامعه امروز، انرژی خورشیدی و انرژی بادی و اینکه چگونه فناوری نانو بستری را برای بهبود وضع موجود این فناوری‌های تثبیت‌شده فراهم می‌کند، نگاهی می‌اندازیم.

نقش محوری نانوفناوری در ارتقای بهره‌وری و نوآوری سلول‌های خورشیدی

سلول‌های خورشیدی یکی از بزرگترین حوزه‌های انرژی تجدیدپذیر هستند که نانوفناوری در آنها تأثیر گذاشته است.

نانومواد برای بهبود ویژگی‌های جذب، جداسازی بار، انتقال الکترون و راندمان تبدیل توان (PCE) سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شوند.

نانومواد همچنین به عنوان پوشش برای محافظت از ماژول‌های خورشیدی مختلف در برابر گرد و غبار و ذرات معلق روی سطح رو به خورشید استفاده شده‌اند.

خواص الکترونیکی و حامل بار عالی تعدادی از نانومواد برای افزایش اتصالات فتوولتائیک نیمه‌رسانای سلول‌های خورشیدی استفاده شده است.

 به همین ترتیب، بسیاری از نانومواد (به ویژه مواد معدنی) علیرغم اندازه‌شان، به شدت در برابر تخریب حرارتی، نوری و شیمیایی مقاوم هستند، بنابراین پوشش‌های محافظ عالی برای محافظت از سلول‌های خورشیدی در برابر عناصر ایجاد می‌کنند.

نانومواد همچنین در پشت بسیاری از سلول‌های خورشیدی فیلم نازک که در سال‌های اخیر ظهور کرده‌اند، از جمله سلول‌های خورشیدی قابل چاپ، قابل لوله شدن و انعطاف‌پذیر، قرار داشته‌اند.

 نانومواد (و نسخه‌های نانومقیاس مواد حجیم) تنها دسته‌ای از مواد هستند که به اندازه کافی قوی هستند تا به پلیمرهای انعطاف‌پذیر اضافه شوند و خم شوند، در حالی که هنوز دارای خواص الکترونیکی هستند که برای عملکرد دستگاه‌ها به اندازه کافی خوب هستند.

حوزه‌های زیادی وجود دارد که فناوری نانو در آنها سلول‌های خورشیدی را نوآوری می‌کند، و نه فقط در سطح دانشگاهی.

 تعداد انواع مورد استفاده سالانه از نظر مواد مورد استفاده افزایش می‌یابد. این شامل نقاط کوانتومی، نانوسیم‌ها، سطوح نانوساختار روی مواد حجیم‌تر، گرافن و مواد دوبعدی و اخیراً، مواد پروسکایت لایه نازک (به دنبال موفقیت مواد پروسکایت حجیم) می‌شود.

برخی از نمونه‌های نوآوری تجاری در جهت استفاده از نانومواد در فضای سلول‌های خورشیدی از Nanoco، Nanosolar، Great Cell Solar Italy و Oxford PV آمده است.

همچنین تعدادی سلول خورشیدی وجود داشته است که به دلیل خواص جذب الکترونیکی و نوری گرافن، به طور خاص با استفاده از گرافن تولید شده‌اند. انتظار می‌رود در سال‌های آینده تعداد بیشتری از آنها به صورت تجاری عرضه شوند، اما تولیدکنندگان فعلی ماژول‌های تجاری شامل ZN Shine، Freevolt و Grafmarine هستند.

همچنین در یونان آزمایش‌هایی در مورد سلول‌های خورشیدی گرافن-پروسکایت (GRAPE) در حال انجام است که در آن یک مزرعه خورشیدی ۴۰ ماژولی ساخته شده است.

پیشرفت فناوری نانو در طراحی و کارایی توربین

یکی دیگر از حوزه‌های بزرگ انرژی تجدیدپذیر، انرژی باد است زیرا این یکی دیگر از عوامل اساسی (در کنار نور خورشید) است که در سراسر جهان به وفور یافت می‌شود.

نانومواد برای کاربردهای کامپوزیت بسیار مفید هستند. برای دستیابی به عملکرد و مزایای استحکام مکانیکی مواد، به مواد زیادی نیاز ندارید و کامپوزیت نهایی معمولاً سبک‌تر از کامپوزیت‌های ساخته شده با سایر مواد افزودنی است.

نانومواد برای توربین‌های بادی استفاده می‌شوند تا کامپوزیت‌های سبک و محکم برای پره‌های توربین ساخته شوند.

 ادغام نانومواد در کامپوزیت‌های توربین به بهبود استحکام، سختی، مقاومت در برابر خستگی و دوام پره‌های توربین کمک می‌کند که منجر به کاهش سایش و پارگی و زمان از کار افتادگی می‌شود به دلیل کاهش نیاز به نگهداری.

ادغام نانومواد در کامپوزیت‌های توربین همچنین ارتعاشات را کاهش می‌دهد، سر و صدا را کاهش می‌دهد و پایداری کامپوزیت‌های توربین را بهبود می‌بخشد.

این چیزی است که هنگام استفاده از نانومواد در کامپوزیت‌های هوافضا نیز مشاهده می‌شود.

 

اما همه چیز در مورد خود نانومواد نیست. روش‌های نانوساخت و نانوالگوسازی با ایجاد سطوح نانوساختار که نیروی پسا و تلاطم پره‌های توربین را کاهش می‌دهند، به بهبود آیرودینامیک توربین‌های بادی کمک می‌کنند.

تولید کامپوزیت‌های سبک‌تر با نیروی پسای کمتر همچنین به این معنی است که پره‌های توربین می‌توانند راحت‌تر در هوا حرکت کنند (و به دلیل سبک‌تر بودن، سریع‌تر شروع به حرکت کنند) و در مقایسه با پره‌های توربین سنگین‌تر و غیر ساده‌تر، تولید انرژی و بهره‌وری انرژی را افزایش دهند.

یکی دیگر از جنبه‌هایی که فناوری نانو در بخش انرژی باد نوآوری می‌کند، از طریق پوشش‌های پیشرفته‌ی محافظ است که پره‌های توربین را از محیط محافظت می‌کند.

 نانومواد ذاتاً در برابر بسیاری از محرک‌های محیطی مقاوم هستند، بنابراین پوشش‌های محافظ عالی ایجاد می‌کنند.

بسیاری از پیشرفت‌ها در طراحی توربین هنوز عمدتاً محدود به دانشگاه‌ها و آزمایش‌ها است.

پیشرفت‌ها در این حوزه تا حد زیادی پشت درهای بسته نگه داشته شده‌اند، اگرچه حدود 10 سال پیش مطالعه‌ای توسط AlphaSTAR با همکاری دفتر اطلاعات علمی و فنی در ایالات متحده انجام شد که نویدبخش کاربردهای زیادی برای نانومواد در پره‌های توربین بادی بود.

بیشترین فعالیت تجاری در زمینه پوشش‌های توربین بادی بوده است. در طول این سال‌ها، چندین نانوپوشش ضد یخ، از جمله از Windgo و از همکاری صندوق توسعه منطقه‌ای اروپا (ERDF) که شامل AIMPLAS و انرژی‌های تجدیدپذیر Siemens Gamesa می‌شود، توسعه یافته‌اند.

نتیجه‌گیری

نانوفناوری امکان نوآوری‌ها و پیشرفت‌ها را در فناوری‌های مختلف انرژی پاک فراهم می‌کند، از جمله سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی که می‌توانند انرژی تولید شده را ذخیره کنند.

 پیشرفت‌های روزافزونی در حال ظهور هستند که به سمت روش‌های پایدار مهار و ذخیره‌سازی انرژی سوق داده می‌شوند و مواد پیشرفته در قلب آن قرار دارند.

همه مواد پیشرفته  مانند پروسکایت‌های حجیم، نانوموادی نیستند که این نوآوری را هدایت می‌کنند، اما نانومواد و فناوری‌های نانوساخت زیادی در نسل بعدی فناوری‌های انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا آن‌ها راه‌هایی برای کارآمدتر کردن دستگاه‌ها با ورودی کم مواد ارائه می‌دهند.

 

تاریخ:1405/3/6

مهسا نعمتی

مهندسان با استفاده از بدن به‌عنوان شبکه، ابزارهای پوشیدنی و ایمپلنت‌های حوزه سلامت را به یکدیگر متصل می‌کنند

مهندسان مؤسسه فناوری جورجیا (Georgia Tech) با بهره‌گیری از بدن انسان برای انتقال سیگنال، یک سیستم شبکه بی‌سیم ابداع کرده‌اند که به حسگرها و عملگرهای بسیار کوچکِ قابل‌کاشت امکان می‌دهد با یکدیگر و با دستگاه‌های پوشیدنی ارتباط برقرار کنند.

این سیستم به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا به شیوه‌ای بی‌سابقه با هم همکاری کنند؛ بدین‌صورت که با حس‌کردن شرایط در یک بخش از بدن، واکنشی درمانی را در بخشی دیگر فعال سازند؛ اقداماتی نظیر آزادسازی دارو یا تحریک یک عصب.

این پژوهش در نشریه «ساینس» (Science) منتشر شده است.

روش ارتباطی آن‌ها قابلیت گسترش دارد تا شامل چندین دستگاهِ به‌هم‌متصل در نقاط مختلف بدن، حتی در عمق معده، شود.

الکس آبرامسون، نویسنده ارشد این مطالعه و استادیار دانشکده مهندسی شیمی و بیومولکولی، گفت: «با استفاده از سیستم ما، اکنون می‌توان حسگرها را در بهترین موقعیت ممکن برای تشخیص سیگنال‌های زیستی و عملگرها را در بهترین مکان برای انجام اقدامات درمانی قرار داد.»

«این دستگاه‌ها نیازی به اتصال فیزیکی، هم‌راستایی یا حتی قرارگرفتن در مجاورت یکدیگر ندارند؛ آن‌ها می‌توانند صرفاً از طریق بافت‌های پیرامونی برای یکدیگر سیگنال ارسال کنند.»

بافت به کانال ارتباطی تبدیل می‌شود

محققان قصد داشتند همان سطح از اتصالی را که بدن از طریق سیستم عصبی به دست می‌آورد، تقلید کنند. آن‌ها اختراع خود را SWANS می‌نامند که مخفف Smart Wireless Autonomous Networking System است.

آبرامسون گفت که بدن ما در عبور سیگنال‌های بی‌سیم سنتی مانند بلوتوث یا NFC عملکرد بسیار بدی دارد و این موضوع به‌طور سنتی میزان همکاری دستگاه‌های پوشیدنی و ایمپلنت‌ها را محدود کرده است. این سیگنال‌ها همچنین به آنتن‌های بزرگ و قدرت زیادی نیاز دارند؛ بنابراین، ایمپلنت‌ها باید برای تطبیق با این اجزا بزرگ باشند.

SWANS با استفاده از رسانایی یونی طبیعی بافت بدن به‌عنوان اتصال بین دستگاه‌ها، این محدودیت‌ها را از بین می‌برد.

هر ایمپلنت به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی شده است که به پالس‌های الکتریکی با ولتاژ و مدت‌زمان مشخص که از طریق بافت و از یک دستگاه به دستگاه دیگر منتقل می‌شوند، پاسخ دهد؛ این ویژگی امکان فعال‌سازی گزینشی آن‌ها را فراهم می‌سازد.

همچنین می‌توان آن‌ها را برای هماهنگ‌سازی داده‌های حاصل از حسگرهای متعددِ موجود در سطح و داخل بدن و نیز آغاز یک اقدام درمانی احتمالی، برنامه‌ریزی کرد.

رامی غانم، دانشجوی دکترا و نویسنده نخست این پژوهش، گفت: «من همواره مشتاق ساخت دستگاه‌هایی بوده‌ام که کیفیت زندگی بیماران را ارتقا دهند. خودکارسازی، نتایج درمانی را بهبود می‌بخشد و برنامه‌های درمانی را برای بیماران ساده‌تر می‌کند.»

کنترل حرکتی با ایمپلنت‌های میلی‌متری

در مطالعه‌ی خود، محققان با هماهنگی شبکه‌ای از حسگرها و رابط‌های عصبی در تمام بدن، کنترل حرکتی دو اندام را در یک موش نشان دادند.

حسگرهای آن‌ها هنگام حرکت پنجه جلویی موش را تشخیص داده و به‌طور خودکار دستگاه دیگری را برای تحریک و انقباض عضله در پای عقب فعال می‌کردند و الگوی راه‌رفتن طبیعی حیوان را شبیه‌سازی می‌کردند.

مهندسان با شبکه‌ی کم‌مصرف خود می‌توانند ایمپلنت‌هایی کوچک‌تر از ۳ میلی‌متر (یک‌هشتم اینچ) ایجاد کنند؛ به‌اندازه‌ای کوچک که بتوان از طریق سرنگ کاشت.

آن‌ها از اجزای الکترونیکی غیرفعال ساخته شده‌اند که اساساً در حالی که منتظر فعال‌شدن هستند، هیچ نیرویی مصرف نمی‌کنند، اما فوراً برای انجام یک عمل بیدار می‌شوند.

نیاز به توان کم به این معنی است که دستگاه‌ها مدت زیادی دوام می‌آورند. در آزمایش‌های خود، تیم دریافت که یک محرک کوچک که یک‌بار در روز فعال می‌شود، باید حدود یک سال قبل از نیاز به تعویض دوام بیاورد. آن‌ها همچنین گزارش دادند که پالس‌های الکتریکی کوچک هیچ آسیبی به نمونه‌های بافتی وارد نکرده‌اند.

سیگنال‌های کوچک، درمان هماهنگ

SWANS به‌گونه‌ای طراحی شده است که فقط مقادیر کمی از داده‌ها را بین دستگاه‌ها منتقل کند؛ وجود یا عدم وجود چیزی، یا یک محرک بله/خیر برای انجام برخی اقدامات.

تبادل داده‌های بزرگ‌تر یا محاسبات سنگین در یک هاب پوشیدنی خارجی اتفاق می‌افتد که می‌تواند خوانش حسگرها از ایمپلنت‌ها را هماهنگ کرده و اقدامات درمانی دیگران را هدایت کند.

غانیم و آبرامسون در این مطالعه با محققان مهندسی مکانیک، زیست‌پزشکی و برق دانشگاه جورجیا تک، از جمله دبلیو. هونگ یئو و دانشجوی سابق دکترا، یون جائه لی، همکاری کردند. همچنین آن‌ها با محققان علوم و مهندسی مواد مؤسسه فناوری ماساچوست، آریستید گومیوسنگ و کامیل کونین، همکاری کردند.

آبرامسون گفت: «امید نهایی ما این است که بتوانیم سلامت انسان را به‌طور کامل خودکار کنیم؛ بتوانیم دقیقاً در زمان مورد نیاز، در جایی که مورد نیاز است و این کار را به‌صورت هماهنگ در سراسر بدن انجام دهیم.»

«با سیستم جدید ما، اکنون می‌توانید چندین حسگر و محرک را در مکان‌های کاملاً متفاوت بدن هماهنگ کنید، که گامی بزرگ به جلو در تلاش برای پزشکی بیوالکترونیک شخصی‌سازی‌شده است.»

 

تاریخ:1405/7/5

مهسا نعمتی

این ماده گیاهی نادیده گرفته شده که سال‌ها به عنوان زباله سوزانده می‌شد، آماده است تا نحوه ساخت نایلون را تغییر دهد

بیشتر مردم نایلون را به عنوان ماده‌ای که روی برچسب‌های لباسشان ذکر شده است، دیده‌اند، اما نایلون در مجموعه‌ای از محصولات دیگر نیز استفاده می‌شود، از جمله قطعات خودرو، عایق سیم و لوازم پزشکی.

متأسفانه، یکی از اجزای سازنده نایلون، اسید آدیپیک، از بنزن مشتق شده از نفت از طریق فرآیندهای انرژی‌بر تولید می‌شود و ردپای کربن نسبتاً بالایی دارد.

با این حال، ممکن است روش بهتری برای تولید این پلیمر رایج وجود داشته باشد.

یک مطالعه جدید که در مجله نیچر منتشر شده است، روش جدیدی را برای تبدیل لیگنین از گیاهان به اسید آدیپیک با بازده بالاتر از تلاش‌های قبلی گزارش می‌دهد.

 این روش از فرآیندهای پالایشگاه‌های نفت الهام گرفته شده است، اما از میکروب‌های مهندسی شده نیز برای انجام برخی از فرآیندهای شیمیایی انتخابی استفاده می‌کند.

 بخش «اخبار و دیدگاه‌ها» در مورد این تحقیق نیز در مجله نیچر منتشر شده است.

پتانسیل لیگنین

لیگنین یک پلیمر آروماتیک است که گیاهان را سفت و سخت می‌کند. این پلیمر یکی از فراوان‌ترین پلیمرهای آلی روی زمین و احتمالاً بزرگترین جزء دست‌نخورده زیست‌توده است.

سالانه میلیون‌ها تن لیگنین به عنوان محصولات جانبی کاغذ و سوخت‌های زیستی باقی می‌ماند که بیشتر آنها به عنوان سوخت کم‌ارزش سوزانده می‌شوند.

لیگنین از نظر فنی پتانسیل تبدیل شدن به مواد شیمیایی صنعتی بسیار مفید را دارد، اما محققان هنوز نفهمیده‌اند که چگونه لیگنین را به مولکول‌های ساده و با ارزش بالا،

مانند: ترکیبات آروماتیک، به اندازه کافی کارآمد تبدیل کنند تا بتوان این کار را در مقیاس بزرگ انجام داد.

 محصول جانبی حاوی لیگنین اغلب ترکیبی نامرتب است که کار با آن دشوار است.

نویسندگان این مطالعه جدید می‌نویسند: «لیگنین مدت‌هاست که به عنوان منبعی از ترکیبات آروماتیک مورد توجه قرار گرفته است، اما ترکیب ناهمگن و واکنش‌پذیری شیمیایی آن، کاربرد آن را به عنوان یک ماده اولیه شیمیایی محدود می‌کند. لیگنین اغلب در طول استخراج از زیست‌توده تخریب می‌شود و اکثر روش‌های دپلیمریزاسیون لیگنین فقط پیوندهای C-O را می‌شکنند و در نتیجه مخلوط‌های پیچیده‌ای از فنول‌های مونومری و الیگومری تشکیل می‌شوند.»

به همین دلیل، روش‌های موجود تبدیل لیگنین معمولاً به حدود 20 درصد وزنی بازده برای هر محصول واحد می‌رسند که برای تولید رقابتی بسیار کم است.

 این محصولات اغلب کوکتل‌های پیچیده‌ای از ترکیبات فنولی بودند که جداسازی آنها دشوار است و برای ارتقاء بیشتر ایده‌آل نیستند.

 اما یافتن مسیری با بازده بالا از لیگنین به اسید آدیپیک یا پیش‌سازهای نایلونی مشابه می‌تواند منجر به کاهش قابل توجه نه تنها در ضایعات زیست‌توده لیگنین، بلکه در ردپای کربن بالای پلاستیک‌های پتروشیمی نیز شود.

ترکیب فرآیندهای پالایش نفت با باکتری‌ها برای تبدیل لیگنین

تیم درگیر در این مطالعه جدید با ترکیب مجموعه‌ای از مراحل برای ساخت اسید آدیپیک از لیگنین، یک راه‌حل بالقوه پیدا کرده است. فرآیند آنها ترکیبی از برخی استراتژی‌های معمول الهام گرفته از پالایشگاه نفت به همراه کمک باکتری‌ها است.

این تیم با شروع از تراشه‌های چوب صنوبر، از جزء به جزء کاتالیزوری کاهشی (RCF) برای استخراج و دپلیمریزاسیون جزئی لیگنین به روغنی غنی از مونومرها و الیگومرهای فنلی استفاده کرد.

سپس روغن را از طریق یک راکتور هیدرودئوکسیژناسیون مداوم قرار دادند که آن را از اکسیژن و گروه‌های فنلی که اکسیداسیون را مختل می‌کنند، عاری می‌کند.

 مرحله اکسیداسیون بعدی، پیوندهای کربن را در آلکیل آروماتیک‌های حاصل می‌شکند و سپس اکسیژن را دوباره وارد می‌کند تا مخلوطی از اسیدهای کربوکسیلیک آروماتیک محلول در آب ایجاد شود.

سپس این تیم از یک فرآیند منحصر به فرد شامل یک باکتری مهندسی شده به نام سودوموناس پوتیدا استفاده کرد که بیشتر اسیدهای کربوکسیلیک آروماتیک موجود در مخلوط را به ترکیبی به نام موکونولاکتون تبدیل می‌کند. سپس موکونولاکتون می‌تواند به صورت شیمیایی به اسید آدیپیک تبدیل شود.

تلاش برای افزایش بازده

بازده ۲۶ درصد وزنی برای تولید صنعتی کاملاً کافی نیست، اما بهبود در این فرآیند، آن را به جایگزینی مناسب برای تولید اسید آدیپیک نزدیک‌تر می‌کند.

در حال حاضر، محدودیت‌هایی در مورد میکروب مهندسی‌شده وجود دارد که هنوز قادر به متابولیزه کردن برخی از اجزای جزئی مخلوط اکسیداسیون نیست.

محدودیت دیگر این است که جداسازی کاتالیزوری کاهشی هنوز یک فناوری بالغ از نظر اقتصادی نیست و هنوز به حلال‌های نسبتاً تمیز و کاتالیزورهای فلزات گرانبها نیاز دارد.

با این حال، این تیم نسبت به بهبودهای آینده در مورد این محدودیت‌ها خوش‌بین است.

آنها می‌نویسند: "فرآیندهای مشابه پتانسیل اعمال شدن بر روی بسترهای لیگنین متراکم (به عنوان مثال، لیگنین کرافت) را دارند، که در انتظار توسعه آینده است.

 با مهندسی متابولیک بیشتر، رویکرد تبدیل زیستی فعلی می‌تواند گسترش یافته و تنظیم شود تا شامل محصولات خوداکسیداسیون پیچیده‌تر (به عنوان مثال، اسیدهای تری کربوکسیلیک بنزن) شود و تقریباً هر محصول بیولوژیکی قابل دسترسی را هدف قرار دهد."

این فرآیند تجربی منجر به بازده نهایی اسید آدیپیک حدود ۲۶ درصد وزنی (گرم اسید آدیپیک به ازای هر گرم لیگنین) شد، اما این تیم می‌گوید که این فرآیند از نظر تئوری می‌تواند با کمی بهینه‌سازی تا ۵۷ درصد وزنی نیز بازده داشته باشد.

آنها همچنین دریافتند که این رویکرد روی لیگنین از انواع مختلف چوب، از جمله صنوبر، کاج و توس، کار می‌کند که نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری گسترده مواد اولیه است.

 

تاریخ:1405/4/7

مهسا نعمتی

پیشرفت در پایش آب و هوا با بادسنج کم مصرف جدید

نظارت بر محیط زیست یک جنبه اساسی جامعه مدرن است که زیربنای همه چیز از پیش‌بینی آب و هوا گرفته تا برنامه‌ریزی کشاورزی و پیشگیری از بلایای طبیعی است.

روش‌های سنتی اغلب با چالش‌های قابل توجهی مانند هزینه‌های بالای نگهداری و مصرف انرژی، به ویژه در مکان‌های دورافتاده‌ای که تعویض باتری یا تعمیر تجهیزات دشوار و پرهزینه است، مواجه هستند.

بنابراین، نیاز فزاینده‌ای به راه‌حل‌های نوآورانه و کم‌مصرف وجود دارد که می‌توانند قابلیت اطمینان و کارایی نظارت بر محیط زیست را افزایش دهند. این نیاز محققان را به سمت توسعه فناوری‌های پیشگامانه سوق داده است.

محققان از یک نوع سنسور باد پیشگام بیدار شونده با نسیم (B-WA) (این یک نوع سنسور باد خیلی کم مصرف و نوآورانه است که با کوچکترین نسیم فعال میشود و انرژی خود را از باد تولید میکند) رونمایی کرده‌اند که از یک نانوژنراتور تریبوالکتریک با یاتاقان غلتشی (RB-TENG) استفاده می‌کند که یک استراتژی جدید برای نظارت بر محیط زیست با مصرف انرژی کم ارائه می‌دهد.

توانایی B-WA در عملکرد خودکار و کارآمد در شرایط باد متغیر، پیشرفت قابل توجهی در زمینه نظارت بر محیط زیست پایدار را نشان می‌دهد.

بادسنج‌ها ابزارهای حیاتی برای جمع‌آوری داده‌های هواشناسی هستند که برای پیش‌بینی دقیق آب و هوا و نظارت بر محیط زیست ضروری هستند.

 بادسنج‌های سنتی اغلب با چالش‌هایی مربوط به هزینه‌های بالای نگهداری و عملیاتی مواجه هستند، که عمدتاً به دلیل مصرف بالای برق در حالت سکون و وابستگی به باتری است.

این چالش‌ها به ویژه در مکان‌های دورافتاده‌ای که تعویض باتری یا تعمیر تجهیزات دشوار و گران است، حادتر هستند.

معرفی بادسنج‌های خود-بیدارشونده کم‌مصرف می‌تواند با فعال کردن دوره‌های استقرار طولانی‌تر، کاهش دفعات تعمیر و نگهداری و افزایش قابلیت اطمینان جمع‌آوری داده‌ها در این مناطق بحرانی اما صعب‌العبور، نظارت بر محیط زیست را متحول کند.

یک مطالعه جدید که در مجله Microsystems & Nanoengineering توسط تیمی از موسسه نانوانرژی و نانوسیستم‌های پکن منتشر شده است، بادسنج بیدارشونده نسیم (B-WA) را توصیف می‌کند که برای افزایش چشمگیر قابلیت‌های نظارت بر آب و هوا از راه دور طراحی شده است.

B-WA که به تازگی توسعه یافته است، اجزای کلیدی زیر را در خود جای داده است: دو نانوژنراتور تریبوالکتریک یاتاقان غلتشی (RB-TENGs)، یک ماژول خود-بیدارشونده (SWM) و یک ماژول پردازش سیگنال (SPM).

B-WA می‌تواند در حالت خاموشی با مصرف انرژی نزدیک به صفر باقی بماند تا زمانی که با سرعت باد بیش از ۲ متر بر ثانیه فعال شود.

 RB-TENG به گونه‌ای مهندسی شده است که از حرکت یاتاقان‌های غلتشی، که برای بیدار کردن دستگاه از حالت کم‌مصرف خود مهار می‌شود، برق تولید کند.

پس از فعال شدن، SWM می‌تواند کل سیستم را تنها در عرض 0.96 ثانیه بیدار کند و اندازه‌گیری سرعت باد را در زمان واقعی امکان‌پذیر سازد. همزمان، SPM فرکانس سیگنال‌های تولید شده توسط RB-TENG را پردازش می‌کند تا سرعت باد را با حساسیت 9.45 هرتز بر متر بر ثانیه به طور دقیق رصد کند و جمع‌آوری داده‌های دقیق و قابل اعتماد را تضمین کند.

 این رویکرد نوآورانه، انرژی مورد نیاز برای عملیات را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و به بادسنج اجازه می‌دهد تا در مکان‌های دورافتاده و خارج از شبکه که سیستم‌های سنتی ممکن است از کار بیفتند، به طور موثر عمل کند.

پروفسور چی ژانگ، دانشمند ارشد این پروژه، اظهار داشت: "این دستگاه نه تنها مرزهای فناوری نانو را جابجا می‌کند، بلکه یک راه حل پایدار برای چالش‌های جهانی نظارت بر آب و هوا ارائه می‌دهد. نیاز کم به انرژی و حساسیت بالای آن برای آینده سنجش محیطی بسیار مهم است."

این گفته، اهمیت B-WA را در پیشرفت فناوری نظارت بر محیط زیست، به ویژه در توانایی آن در ارائه داده‌های مداوم و دقیق بدون نیاز به نگهداری مکرر یا منبع تغذیه، برجسته می‌کند.

این فناوری برای حوزه‌هایی مانند برنامه‌ریزی کشاورزی و پیشگیری از بلایای طبیعی، که در آن‌ها اطلاعات دقیق و به موقع آب و هوا می‌تواند به طور قابل توجهی بر تصمیم‌گیری و ایمنی عملیاتی تأثیر بگذارد، محوری است.

 طراحی مستحکم و کم‌نیاز به نگهداری B-WA، آن را برای ادغام در شبکه‌های اینترنت اشیا (IoT) ایده‌آل می‌کند و نظارت توزیع‌شده بر محیط زیست را در بخش‌های مختلف افزایش می‌دهد.

 B-WA با ارائه داده‌های قابل اعتماد در زمان واقعی، می‌تواند به کشاورزان در تصمیم‌گیری بهتر در مورد مدیریت محصول و آبیاری کمک کند و به طور بالقوه باعث افزایش بازده و کاهش مصرف آب شود.

در مناطق مستعد فاجعه، داده‌های به موقع B-WA می‌تواند سیستم‌های هشدار اولیه برای رویدادهایی مانند طوفان، گردباد و طوفان‌های شدید را بهبود بخشد و در نتیجه آمادگی جامعه را افزایش داده و خطر آسیب را کاهش دهد.

 علاوه بر این، توانایی آن در عملکرد مستقل در شرایط سخت، تضمین می‌کند که در دوره‌های بحرانی که تجهیزات سنتی ممکن است از کار بیفتند، همچنان کارآمد باقی بماند. B-WA گامی مهم در تلاش برای یافتن راه‌حل‌های پایدار و کارآمد نظارت بر محیط زیست است و به برخی از مهم‌ترین چالش‌های پیش روی محققان و متخصصان در این زمینه امروز می‌پردازد.

توسعه بادسنج بیدارکننده نسیم، جهشی قابل توجه در قابلیت‌های فناوری‌های نظارت بر محیط زیست را نشان می‌دهد.

 استفاده نوآورانه آن از نانوژنراتورهای تریبوالکتریک یاتاقان غلتشی، همراه با مصرف انرژی کم و حساسیت بالای آن، راه‌حلی امیدوارکننده برای محدودیت‌های بادسنج‌های سنتی ارائه می‌دهد.

 با افزایش چالش‌های زیست‌محیطی، B-WA ابزاری حیاتی برای جمع‌آوری داده‌های دقیق هواشناسی، تضمین تصمیم‌گیری بهتر و افزایش ایمنی در بخش‌های مختلف فراهم می‌کند. کار پروفسور چی ژانگ در این پروژه، پتانسیل فناوری نانو را برای ایجاد انقلابی در نحوه نظارت و پاسخ ما به محیط زیست برجسته می‌کند و راه را برای راه‌حل‌های پایدارتر و مؤثرتر در آینده هموار می‌سازد.

 

تاریخ:1405/1/30

مهسا نعمتی