اليابانيون يبتكرون مادة لاصقة مستوحاة من قدم الذباب

لطالما استوحى الإنسان ابتكاراته مما أودعه الله في الطبيعة من نماذج وأنظمة وعناصر من أجل حل المشاكل الإنسانية، وهو ما صار يحمل اسم "محاكاة الطبيعة Biomimicry".

وفي هذا السياق، نجحت مجموعة من الباحثين اليابانيين، من كل المعهد الوطني لعلوم المواد National Institute for Materials Science وجامعة هوكايدو للتربية Hokkaido University of Education وكلية طب جامعة هاماماتسو Hamamatsu University School of Medicine، في ابتكار هيكل لاصق مستوحى من الطبيعة.

من الذباب نتعلم

ونشرت نتائج دراسة الفريق في دورية "كوميونيكيشنز بيولوجي Communications Biology" التابعة لمؤسسة نيتشر العريقة في مجال النشر العلمي.

وبحسب البيان الصحفي المنشور على موقع يوريك ألرت Eurek Alert بتاريخ 28 أغسطس/ آب الجاري، فقد نجح الفريق في تطوير طريقة سهلة ذات تكلفة زهيدة لإنتاج بنية لاصقة قادرة على التعلق والانفصال المتكرر.

وأوضح أنه تم استلهام تصميم هيكل هذه المادة من الشعيرات اللاصقة على شكل ملعقة الموجودة على وسادات أقدام الذباب، وقد تم استيحاء طريقة إنتاجها من تكوين الهياكل الشبيهة بالشعر في عذارى الذباب. ويمكن لهذه التقنيات السليمة بيئيا أن تساهم في مجتمع أكثر استدامة.

وكما يشير البيان الصحفي فإنه يتم تعزيز العديد من أنواع المنتجات المصنعة بمواد لاصقة قوية. ومع ذلك، فإن استخدام هذه المواد اللاصقة يعوق عمليات إعادة التدوير، مما يتعارض مع الجهود المبذولة لتعزيز الاقتصاد الدائري. لهذا السبب، تم تصميم وتطوير تقنيات لاصقة قادرة على التعلق والانفصال المتكرر.

ويسعى نهج المحاكاة الحيوية، الساعي لتطوير تقنيات لاصقة عالية الأداء، إلى تقليد الهياكل اللاصقة المتقنة الموجودة في الكائنات الحية. ومع ذلك، فإن هذا النهج غالبا ما يكون مكلفا لأنه يتطلب استخدام أنظمة كهروميكانيكية دقيقة لإنشاء هياكل معقدة.

وسادات أقدام عذارى الذباب

وقد ركزت مجموعة البحث هذه على الهياكل البيولوجية اللاصقة (على سبيل المثال، وسادات القدم الحشرية) المعروف أنها تتشكل بطريقة موفرة للطاقة في درجة حرارة الغرفة. وقد طورت المجموعة هياكل لاصقة وأساليب فعالة لإنشائها من خلال محاكاة العمليات البيولوجية.

وفي هذا المشروع البحثي، ركزت المجموعة بشكل خاص على المواد اللاصقة على شكل ملعقة، والتي تنمو على وسادات أقدام الذباب كنموذج لتطوير الهياكل اللاصقة التي يمكن لصقها بشكل متكرر بالأشياء وفصلها عنها.

ولاحظت مجموعة البحث العمليةَ البيولوجية التي يتم من خلالها تكوين الهياكل الشبيهة بالشعر في عذارى ذبابة الفاكهة (Drosophila melanogaster) عن طريق تلطيخ أرجل الذباب من أجل التحليل المناعي الكيميائي، ووضع العلامات على أكتين الهيكل الخلوي باستخدام الأصباغ الفلورية.

ونتيجة لذلك، اكتشفت المجموعة البحثية أن مجموعات وسادة القدم اللاصقة تتشكل في عملية بسيطة من خطوتين:

(1) تستطيل الخلايا المكونة للهيكل الخلوي، وتتراكم خيوط الأكتين الهيكلية الخلوية في الخلايا عند الأطراف البعيدة للخلايا الممدودة، وتشكل الهياكل الشبيهة بالملعقة.

(2) تتشكل رواسب البشرة على أسطح الرقع، مما يؤدي إلى تصلبها.

تقنية وتطبيقات

ونجحت المجموعة البحثية في تطوير عملية مماثلة بسيطة من خطوتين لتصنيع هيكل ملعقة لاصقة في درجة حرارة الغرفة، عن طريق: شد ألياف النايلون لتشكيل بنية ملعقة، وتصلبها.

وتم التأكيد على أن قوة التصاق الهيكل وسهولة الانفصال تختلف، اعتمادا على الاتجاه الذي يتم سحبه بعيدا عن الكائن الذي يتم لصقه به، على غرار الآليات التي تستخدمها الحشرات لربط أو فصل نفسها عن الأشياء.

وتعتبر الألياف أحادية الطور قوية بدرجة كافية لتعليق رقاقة سيليكون منها تزن 52.8 جم. استقراءً من ذلك، يمكن توقع لحزمة من 756 من الألياف (9 سم 2 في منطقة المقطع العرضي) دعم شخص يزن 60 كجم.

قد يوفر هذا الهيكل اللاصق، القادر على التعلق والانفصال المتكرر، مجموعة متنوعة من التطبيقات الروبوتية الجديدة. على سبيل المثال، يمكن دمجه في أذرع الروبوتات الصناعية لتمكينها من التعامل بشكل أفضل مع الأشياء الزلقة، ويمكن دمجها في أرجل الروبوتات الخارجية للسماح لها بتسلق الجدران الرأسية مثل الحشرات.

الهيكل اللاصق القابل لإعادة الاستخدام، وطريقة الإنتاج منخفضة التكلفة والموفرة للطاقة، تقنية صديقة للبيئة يمكن أن تسهم في جعل المجتمع أكثر استدامة.