كبسولة تنفجر مثل قرن البذور
قد تجول الروبوتات الدقيقة (microrobots) المغناطيسية الصغيرة يومًا ما في الجهاز الهضمي لإيصال الأدوية، أو علاج آفة، أو التقاط الصور. لكن عليها أولًا أن تصل سالمة — محميّة من الحمض والمخاط واضطراب المعدة — ثم أن تُطلَق بسرعة في الموضع الصحيح. والكبسولات الحالية إمّا محشوّة بمحرّكات ونوابض وإلكترونيات، فلا يتبقّى للحمولة إلا مكان ضيّق، وإمّا تعتمد على مواد «ذكية» تستغرق من دقائق إلى ساعات لتنفتح.
ووجد منغفان تشانغ وزيكه تشن وروي شياو وغوويونغ ماو وزملاؤهم في جامعة تشجيانغ، في هانغتشو، حلّهم في نبات مزهر.
حيلة القرن المنفجر
حين ينضج قرن بذور نبات Impatiens balsamina، تكفي لمسة خفيفة لتفجيره: إذ تلتفّ مصاريعه إلى الداخل في لمح البصر وتقذف البذور. وفي أنواع قريبة، تنطلق البذور بسرعة تتراوح بين 1 و4 أمتار في الثانية. والمبدأ هو نابض مقيَّد بمزلاج (latched spring): المصاريع المنحنية تخزّن طاقة مرنة، والنسيج المحيط بها يعمل مزلاجًا. حرّر المزلاج، فتؤدّي الطاقة المخزّنة العمل كلّه.
ثلاث قطع
تنسخ الكبسولة هذا التصميم بثلاثة أجزاء:
- قبّة لينة من السيليكون، تُقلب من الداخل إلى الخارج أثناء التجميع — وهي النابض؛
- قاعدة بلاستيكية مطبوعة ثلاثيًا، أسطوانة قطرها 8 مليمترات وارتفاعها 5 مليمترات، فيها حجرة صغيرة للروبوتات؛
- حلقة من هلام مصنوع من الجيلاتين والكاراجينان وجسيمات أكسيد الحديد النانوية — وهي المزلاج.
تحت مجال مغناطيسي متناوب، تسخّن الجسيمات النانوية الهلام. فيلين ويتمزّق من الداخل، وتعود القبّة إلى شكلها بقفزة، وتنفجر الكبسولة مفتوحة. والجيلاتين النقي كان سيذوب بين 30 و36 °C، وهو قريب جدًا من حرارة الجسم؛ أما إضافة الكاراجينان فتُبقي الهلام متماسكًا عند 37 °C، مع تحوّل إلى سائل عند 51.6 °C.
ضبط النابض
كان الجزء الصعب ميكانيكيًا. فالقبّة المقلوبة قد تكون ثنائية الاستقرار (bistable) — تبقى مقلوبة ما إن تُدفع — وعندها لن تنفتح أبدًا. يجب أن تكون أحادية الاستقرار (monostable)، تعود دائمًا إلى شكلها. لكن القبّة المفرطة الصلابة ستمزّق الهلام قبل الإطلاق. وباستخدام محاكاة حاسوبية، رسم الفريق خريطة الأشكال ثنائية الاستقرار وأحاديته، ووجد أن الطوق المستخدم للصق القبّة يدفعها نحو ثنائية الاستقرار، لذا يجب أن تكون القبّة أسمك من القشرة المذكورة في الكتب المدرسية. قبّتهم النهائية: ارتفاعها 2.6 مليمتر وسُمكها 1.5 مليمتر فوق نصف امتداد قدره 5 مليمترات. وحين تُحرَّر بملقط، تطير هذه القبّة بسرعة 1.21 متر في الثانية وتنفصل تمامًا في غضون 100 ملّي ثانية.
من مسار مطبوع إلى معدة خنزير
في الاختبار الكامل، يدفع مغناطيس الكبسولة المغلقة على مسار مطبوع ثلاثيًا إلى هدفها في نحو 70 ثانية. ثم يسخّن المجال المتناوب الهلام من نحو 20 إلى 41 °C. وتنفتح الكبسولة في أقل من 50 ملّي ثانية بعد أن يلين الهلام، وتُقذف الروبوتات بسرعة نحو 1.0 متر في الثانية — الحدّ الأدنى لنطاق سرعة البذور. ثم يجمعها مغناطيس نحو مواضع مختارة. و«الروبوتات» هنا قطع صغيرة من مطّاط مغناطيسي (elastomer).
وعلى معدة خنزير خارج الجسم، بقيت الكبسولة مغلقة أثناء توجيهها فوق النسيج، وانفتحت عند الأمر. وامتصّ النسيج اللين اللزج جزءًا من الطاقة: فانخفضت سرعة القذف في البداية إلى نحو 0.5 متر في الثانية. وظلّ بالإمكان توجيه الروبوتات المُطلقة عبر السطح. وحين توضع الكبسولة مقلوبة، تنفتح بلطف دون أن تقذف شيئًا، ويسحب المغناطيس الروبوتات إلى الخارج — وهو نمط ألطف.
ويعدّد المؤلفون ما تبقّى: لا اختبار في حيوان حيّ، وسلوك الهلام في حمض المعدة والسوائل الهضمية مجهول، والحاجة إلى هلام أمتن ينصهر أيضًا عند حرارة أعلى. وقد تقدّم أربعة منهم — ماو وتشانغ وتشن وشياو — بطلب براءة اختراع للكبسولة.