بطاريات هلامية: طاقة قابلة للتمدد وغريبة مستوحاة من الطبيعة

يقوم BTW Media بعمل ملف شخصي لـ Jelly batteries: Bizarre stretchy power inspired by nature لأن الأدلة المنشورة تربطها بالبنية التحتية للإنترنت والحوكمة والاعتماديات التشغيلية أو وضوح السوق.

• البطاريات الهلامية ذاتية الإصلاح، جيلاتينية ويمكن تمديدها لأكثر من 10 أضعاف طولها الأصلي دون التأثير على موصليتها.
• يمكن استخدام البطاريات الهلامية في الأجهزة القابلة للارتداء أو الروبوتات اللينة، ويمكن أيضًا زرعها في الدماغ لتوصيل الأدوية أو علاج أمراض مثل الصرع.
• يمثل تطوير البطاريات الهلامية عددًا من التحديات، بما في ذلك الحاجة إلى اختبارات التوافق الحيوي وإنشاء إنتاج فعال على نطاق واسع.

رأينا
البطاريات الهلامية، المستوحاة من قدرة ثعبان البحر الكهربائي على توليد الطاقة، تقدم حلاً للطاقة مرنًا وقابلاً للإصلاح الذاتي. يمكن لهذه البطاريات القائمة على الهيدروجيل أن تتمدد دون فقدان التوصيلية، مما يجعلها مثالية للأجهزة القابلة للارتداء والغرسات الطبية والروبوتات. باحثو جامعة كامبريدج وجامعة قويلين للتكنولوجيا هم في طليعة هذا المجال، ويسعون إلى تسويقها بفضل ملفات السلامة الواعدة والأداء القوي. يبدو أن هذا المزيج من التوافق الحيوي والتقدم التكنولوجي قد يسمح قريبًا بتكاملات أجهزة أكثر عملية وموثوقية، خاصة في المجال الطبي.
–Heidi Luo، مراسلة BTW

مقدمة عن البطاريات الهلامية

تخيل عالمًا لا يسبب فيه جهازك القابل للارتداء أي إزعاج، ويكون غرسك الطبي مصممًا ليتحرك مع جسمك. كما نعلم جميعًا، فإن البطاريات التقليدية ذات الهياكل الصلبة تحد غالبًا مما يمكننا فعله في هذه التقنيات. لحسن الحظ، تقدم البطاريات الهلامية حلاً واعدًا بفضل مرونتها وقابليتها للتكيف.

الطبيعة غالبًا ما تكون مصدرًا للاختراقات التكنولوجية. الفكرة وراء البطاريات الهلامية تأتي في الواقع من مصدر غير متوقع: ثعبان البحر الكهربائي. هذا المخلوق المائييولد الكهرباءمن خلال خلايا تسمى الخلايا الكهربائية لصعق فريسته أو الدفاع عن نفسه.

من خلال محاكاة هذه العملية الطبيعية، ابتكر الباحثون بطاريات تستخدم الهيدروجيلات التي تعمل بطريقة مشابهة لثعبان البحر. أحدث أبحاث جامعة كامبريدج حققت تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا البطاريات الهلامية. استخدموا هيدروجيلات مكونة من بوليمرات عضوية طبقية تحتوي على أكثر من 60% من الماء، مما يسمح لهذه المواد بتوصيل الكهرباء بكفاءة عالية.

باستخدام هذه الهيدروجيلات، ابتكروا بطاريات تنحني وتتمدد وتصلح نفسها بنفسها. هذا يجعلها أكثر راحة عند ارتدائها على الجلد وأكثر متانة عند زرعها في الأعضاء الداخلية، مثل الرئتين أو القلب أو الدماغ، وفقًا لتقرير «The Economist».

بينما تفقد معظم البطاريات توصيليتها إذا تم ثني أو تمديد المادة المصنوعة منها، يمكن تمديد البطارية الهلامية حتى مرة ونصف طولها دون فقدان الجهد.

ستيفن أونيل، عضو فريق البحث في كامبريدج.

مجموعة ثانية من جامعة قويلين للتكنولوجيا، بالإضافة إلى مراكز بحثية أخرى في الصين، عملت على بطارية هيدروجيل ذاتية الإصلاح. أبحاثهم، المنشورة مؤخرًا في Nano Research Energy، تظهر أن بطاريتهم يمكنها تحمل الكثير من الثني واللف. كما وجدت المجموعة أن البطارية تظل ذاتية الإصلاح حتى بعد كسرها عشر مرات، مما يدل على أنها متينة حقًا ويمكن أن تكون طويلة الأمد في التطبيقات العملية.

اقرأ أيضًا:اختراع NTT يضفي الحياة على الصور ثلاثية الأبعاد بدون أدوات خاصة

مسابقة سريعة

ما القدرة الفريدة لثعبان البحر الكهربائي التي ألهمت تصميم البطاريات الهلامية؟

A) قدرته على السباحة إلى الخلف
B) قدرته على توليد الكهرباء
C) قدرته على العيش في المياه العذبة والمالحة معًا
D) قدرته على التوهج في الظلام

الإجابة الصحيحة في أسفل المقال.

تطوير البطاريات الهلامية

شركة Svolt Energy Technology، إحدى رواد صناعة البطاريات، شاركت لأول مرة فكرة البطاريات الهلامية خلال أول حدث ليوم البطارية في 2 ديسمبر 2020 في ووشي، الصين. البطارية الهلامية هي بطارية ليثيوم تستخدم إلكتروليتًا جيلاتينيًا جديدًا. يمكنها الإصلاح الذاتي ولا تشتعل فيها النيران. تعمل هذه البطارية بنفس كفاءة البطاريات التقليدية ذات الإلكتروليت السائل، ولكنها تمنع أيضًا انتشار الحرارة وتحافظ على استقرارها حتى تحت الضغط المادي.

في اختبارات الشركة، أظهرت البطارية الهلامية تحسينات أمان كبيرة مقارنة بالبطاريات التقليدية. اجتازت اختبار الصندوق الحراري عند 150 درجة مئوية، مما يثبت أنها تستطيع تحمل الضغط والاستمرار في العمل حتى عند تسخينها. هذه الخصائص مثالية للمركبات الكهربائية لأنها تتحمل الحرارة الشديدة وتعمل بشكل جيد في جميع الظروف. وهذا يجعل التكنولوجيا أكثر أمانًا وفائدة للمركبات الكهربائية.

في 4 يوليو الماضي، قدمت Svolt Energy Technology بطاريتها الهلامية من الجيل الثاني خلال قمة الشركاء العالمية. أشاد نائب الرئيس Zhang Fangnan بكثافة الطاقة العالية وقدرات الشحن السريع للبطارية، وأعلن عن خطط لبدء الإنتاج التسلسلي في فبراير 2026.

اقرأ أيضًا:اختراق مدعوم بالذكاء الاصطناعي: بطارية Microsoft الثورية

في الوقت نفسه، في يوليو 2024، حققت جامعة كامبريدج تقدمًا كبيرًا في مجال تكنولوجيا البطاريات الهلامية. البطارية الهلامية الجديدة التي طورتها الجامعة يمكنها الإصلاح الذاتي، وهي جيلاتينية ويمكن تمديدها لأكثر من عشرة أضعاف طولها الأصلي دون فقدان التوصيلية، وفقًا لتقرير Sci-Tech Daily.

الخصائص والمزايا

ما يجعل البطاريات الهلامية مميزة هو تصميمها المبتكر. إنها تقدم مجموعة من الخصائص الفريدة التي تعالج العديد من قيود البطاريات التقليدية. أولاً، يمكن ثنيها وتمديدها، مما يجعلها مثالية للتقنيات القابلة للارتداء والغرسات الطبية التي تحتاج إلى التحرك مع الجسم. هذه القدرة على التكيف تعني أن المستخدمين لن يضطروا للقلق بشأن عدم الراحة، وأن الأجهزة التي تعمل بهذه البطاريات ستكون أكثر موثوقية.

«يمكن تكييف الخصائص الميكانيكية للهيدروجيل لتتناسب مع تلك الخاصة بالأنسجة البشرية»، قال قائد الفريق Oren Scherman. «الغرسات المصنوعة من الهيدروجيل أقل عرضة للرفض من قبل الجسم أو التسبب في تراكم النسيج الندبي لأنها لا تحتوي على مكونات صلبة مثل المعادن.»

بالإضافة إلى كونها مرنة، فإن الهيدروجيلات متينة حقًا. يمكنها تحمل الكثير من الضغط دون تلف ويمكنها حتى إصلاح نفسها إذا انكسرت. علاوة على ذلك، يمكن للبطاريات الهلامية الإصلاح الذاتي. هذه البطاريات مصنوعة من الهيدروجيلات، مما يعني أن لديها روابط جزيئية قوية يمكنها إعادة التنظيم والإصلاح إذا تضررت.

ميزة أخرى للبطارية الهلامية هي أن الروابط الجزيئية القوية التي تسمح للبوليمرات بالتمدد تسمح أيضًا للمادة بإصلاح نفسها بسرعة كبيرة إذا انكسرت.

Jade McCune، عضو فريق كامبريدج.

هذا لا يطيل عمر البطارية فحسب، بل يقلل أيضًا من احتياجات الصيانة والتكاليف الإجمالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن إمكانية الشحن اللاسلكي قد تسهل دمجها في أجهزة مختلفة، مما يجعلها أكثر تنوعًا وسهولة في الاستخدام.

التطبيقات

البطاريات الهلامية تحدث ثورة في العديد من المجالات بفضل مرونتها الفريدة وخصائصها الذاتية الإصلاح. قدرتها على التمدد والتكيف مع الأشكال المعقدة تجعلها مناسبة بشكل خاص للأجهزة القابلة للارتداد والقابلة للزرع. هذه البطاريات تحسن وظائف وراحة أجهزة مراقبة الصحة، مثل لاصقات الجلد التي تراقب حالات طبية مختلفة والساعات الذكية التي تتابع باستمرار معايير الصحة دون الانزعاج المرتبط بالبطاريات الصلبة التقليدية.

في التكنولوجيا الطبية، لا تقتصر البطاريات الهلامية على الأجهزة الخارجية، بل لها أيضًا إمكانات كبيرة للتطبيقات الداخلية. يمكن زرعها في الجسم لتشغيل أجهزة مثل واجهات الدماغ والحاسوب، والتي يمكن استخدامها للتحكم في الأطراف الصناعية الإلكترونية، أو لتوصيل الأدوية مباشرة لعلاج حالات مثل الصرع. قدرتها على الاندماج والتحرك مع أنسجة الجسم تقلل من خطر التهيج وتزيد من السلامة والراحة للمرضى.

بالإضافة إلى الاستخدام الطبي والشخصي، تعد البطاريات الهلامية واعدة لتطبيقات في الروبوتات اللينة. مرونتها تسمح للروبوتات بأداء مهام دقيقة والعمل بأمان حول البشر، مما يجعلها مثالية للتكامل في الأجهزة التعويضية المتقدمة، مثل القفازات التي تساعد ضحايا السكتات الدماغية على استعادة حركة أيديهم. هذا التطبيق واعد بشكل خاص لأنه يدفع حدود ما هو ممكن مع الأطراف الصناعية الروبوتية، مما يوفر للمستخدمين حركة محسنة ونوعية حياة أفضل.

التحديات والآفاق المستقبلية

البطاريات الهلامية لها العديد من المزايا، لكن لا تزال هناك بعض العقبات التي يجب التغلب عليها. إحدى المشكلات الرئيسية هي معرفة ما إذا كانت هذه البطاريات آمنة للاستخدام في الغرسات الطبية. من المهم جدًا التأكد من أن المواد لا تسبب أي مشاكل عند زرعها في جسم الإنسان.

لذلك، نحتاج إلى إجراء المزيد من الاختبارات في ظروف حقيقية لفهم مستوى سلامتها بشكل كامل. مشكلة أخرى هي زيادة الإنتاج دون فقدان الجودة أو الأداء. بينما تتجه هذه البطاريات نحو التسويق، سيكون من المهم جدًا تطوير طرق تصنيع فعالة من حيث التكلفة على نطاق واسع.

الأهم من ذلك، أن إمكانية الشحن اللاسلكي والتحسينات الإضافية في قدرات الإصلاح الذاتي تمثل موضوعات بحثية واعدة للمستقبل. تحسينات في هذه المجالات يمكن أن تجعل البطاريات الهلامية أكثر تنوعًا وجاذبية لمجموعة أوسع من التطبيقات.

باختصار، يمكن للبطاريات الهلامية أن تغير قواعد اللعبة في عالم التكنولوجيا، خاصة للأجهزة القابلة للارتداء والزرع. مرونتها، خصائصها الذاتية الإصلاح، وإمكانية التوافق الحيوي تجعلها حلاً مبتكرًا يمكن أن يؤدي إلى أجهزة أكثر موثوقية وراحة.

مع استمرار البحث وتحسين هذه البطاريات واختبارها، قد نشهد عصرًا جديدًا في كيفية تشغيل الأجهزة، مما يوفر تكاملًا وتفاعلًا أكبر مع جسم الإنسان والبيئة.

الإجابة الصحيحة: B. قدرته على توليد الكهرباء