لرصد المؤشرات الصحية الحيوية
اختبرت مجموعة من الباحثين الأميركيين نظام طاقة لعدسات لاصقة وضعت على عين زائفة.
عدسات ذكية
الواضح أن العدسات اللاصقة الذكية تحمل في طياتها إمكانات استخدام مهمة ومتنوعة. إذ ومثلاً، بمقدورك بمجرد وضع عدسة على عينك مراقبة المؤشرات الصحية المختلفة مثل مستويات الغلوكوز، وتلقي جرعات مستهدفة من الأدوية الخاصة بأمراض العين، وكذلك الاستمتاع بتجربة الواقع المعزز، علاوة على قراءة تحديثات الأخبار عبر مطالعة عرض المعلومات حرفياً على وجهك.
ومع ذلك، تشكل العين تحدياً كبيراً أمام جهود تصميم الإلكترونيات؛ وذلك لكونها واحدة من أعلى مناطق النسيج البشري من حيث كثافة الأعصاب. وتشير التقديرات إلى أن حساسية القرنية تزيد بمقدار 300 إلى 600 مرة عن حساسية البشرة.
ورغم نجاح الباحثين في تطوير شرائح صغيرة ومرنة، اتسمت مسألة بناء مصادر لتجهيز الطاقة للعدسات اللاصقة بصعوبة أكبر، خاصة أنه من الواضح أن البطاريات والأسلاك الكبيرة لن يمكنها العمل هنا.
وفي هذا الإطار، توفر التطبيقات المتاحة حالياً حلولاً أقل من مثالية، مثل الشحن طوال الليل، بجانب تصميمات أخرى تعتمد على نوع ما من البطاريات الخارجية.
وحدة توليد هجينة للطاقة
وحديثاً، أعلن فريق من جامعة يوتا أنهم طوروا حلاً أفضل: وحدة توليد طاقة هجينة شاملة مصممة خصيصاً للأجهزة التكنولوجية المعتمدة على العين.
في ورقة بحثية نشرتها دورية «سمول» في 13 مارس (آذار) الماضي، وصف الباحثون كيف نجحوا في بناء هذه الوحدة، عبر الجمع بين خلية شمسية من السليكون المرن وجهاز جديد يحول الدموع إلى طاقة. ويمكن لهذا النظام توفير ما يكفي من الكهرباء لتشغيل العدسات اللاصقة الذكية والأجهزة الأخرى المرتبطة بالعين.
ويعد هذا خطوة كبرى نحو الأمام مقارنة بنقل الطاقة لاسلكياً من بطاريات منفصلة، حسبما ذكر عرفان بورشابان، الذي عمل على هذا النظام عندما كان طالباً للدكتوراه في جامعة يوتا.
ونقل موقع مجلة «المهندسين الكهربائيين» الأميركية عن بورشابان، الذي يعمل حالياً مهندساً لدى شركة «تكساس إنسترومنتس»: «تتضمن معظم الأبحاث الحالية نقلاً لاسلكياً للطاقة باستخدام هوائي واحد على العدسة، وآخر في جهاز يمكن أن يكون على بعد نحو سنتيمتر واحد فقط، وهي فجوة صغيرة للغاية. ويجب أن يكون في خط رؤيتك تماماً، وهو أمر غير عملي. لقد شعرنا بأنه إذا لم يتمكن المرء حقاً من ارتداء مثل هذه الأجهزة، فإن روعة تكنولوجيا العدسات اللاصقة الذكية لن تكون ذات قيمة. لذا قررنا أنه علينا بناء وحدة قادرة على النهوض بمفردها».
خلايا كهروضوئية وبطاريات هوائية معدنية
لإنشاء حزمة الطاقة، قام بورشابان وزملاؤه بتصنيع قطع خاصة. وتمثلت الخطوة الأولى في بناء خلايا شمسية سليكونية مرنة ومصغرة يمكنها التقاط الضوء من الشمس، وكذلك من المصادر الاصطناعية مثل المصابيح. ووصل الفريق 8 خلايا بلورية صلبة صغيرة (1.5 × 1.5 × 0.1 ملم) وتغليفها في بوليمر لبناء نظام كهروضوئي مرن.
أما النصف الثاني، فعبارة عن نظام يجري تنشيطه بطرفة العين، ويعمل مثل بطارية الهواء المعدنية. وتعمل الدموع الطبيعية في عين من يرتدي هذه الوحدة – تحديداً الإلكتروليتات الموجودة فيها – بمثابة وقود حيوي لتوليد الطاقة.
وتجري عملية توليد الطاقة حرفياً في غمضة عين: عندما تكون العين مفتوحة تماماً، يتوقف توليد الطاقة. بعد ذلك، عندما تبدأ العين في الرمش، تلتقي إلكتروليتات في الدموع مع أنود المغنيسيوم، ما يسبب تفاعل أكسدة وتوليد الإلكترونات. وفي نهاية المطاف، تتلامس إلكتروليتات الدموع مع كل من الأنود (القطب الموجب) والكاثود (القطب السالب) البلاتيني، ما يولد المزيد من الطاقة عبر مزيد من الأكسدة على سطح الأنود، وتقليل الأكسجين على سطح الكاثود. ويجري الحفاظ على الأقطاب الكهربائية من التلوث عن طريق حركة الجفن والتحديث المستمر للدموع.
ويجتمع «النصفان» المرتبطان بعملية توليد الطاقة هذه معاً عبر دائرة إدارة الطاقة مع مكثف فائق مدمج بقدرة 11 مل يفاراد – الذي يحول الجهد الكهربائي إلى تيار مستمر ويعززه. وفي النهاية، يوفر نحو 150 ميكروواط من الطاقة عند فرق جهد 3.3 فولت ثابت – من دون الحاجة إلى هوائيات أو حزمة بطارية خارجية أو علبة شحن خاصة.
في هذا الصدد، علق وي غاو، خبير أجهزة الاستشعار الحيوية والأستاذ المساعد بمجال الهندسة الطبية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، الذي لم يشارك في البحث، بقوله إن هذا النظام يشكل «تطوراً مثيراً في مجال العدسات اللاصقة الذكية». وأوضح أن الإمكانات الواعدة لهذه العدسات تعطلت من قبل بسبب «العقبة الرئيسية المتمثلة في حاجتها إلى مصدر طاقة مستدام».
وعبر عن اعتقاده بأن حزمة الطاقة الجديدة «سهلة الاستخدام»، علاوة على أنها «نهج مبتكر ثنائي الوضع» يستفيد من وضعين لجمع الطاقة، بحيث تستمر في توليد الطاقة، سواء كانت العيون مفتوحة أو مغلقة.
وأضاف غاو: «إن إنتاج الطاقة الموثوق به من هذا الجهاز يمكن أن يغذي مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك أجهزة الاستشعار الحيوية القابلة للارتداء وأنظمة توصيل الدواء المستجيبة كهربائياً، مباشرة داخل بيئة العين».
رصد الغلوكوما وتطبيقات أخرى
أبدى بورشابان اتفاقه مع رأي غاو، مضيفاً أن هناك تطبيقات استهلاكية واضحة، مثل العدسات التي تعرض للعدائين معدل ضربات القلب والوتيرة وحرق السعرات الحرارية أثناء التمرين. وكذلك يمكن لتجار التجزئة الحصول على رؤى قيمة من عمليات تتبع كيفية مسح المتسوق الرفوف واختيار العناصر. وأوضح أن إمكانات التسويق وراء الابتكار الجديد ضخمة ومتنوعة.
ومع ذلك، يبدي بورشابان الحماس الأكبر تجاه الاستخدامات المحتملة في مراقبة صحة العين، بدءاً من الحالات غير المعتادة مثل طول النظر الشيخوخي – طول النظر المرتبط بالتقدم في العمر الذي يمكن أن يبدأ في منتصف الأربعينيات – إلى الأمراض الأكثر تعقيداً بما في ذلك الغلوكوما.
وشرح بورشابان أن الغلوكوما (الماء الأسود أو الأزرق) تعرف بأنها «سارق البصر الصامت». وقال: «لا يوجد في هذه الحالة المرضية ألم، وقد لا يكون هناك شيء تلاحظه، وفجأة إذا أصبح ضغط العين أكثر من اللازم بين زياراتك المتباعدة لطبيب العيون، فقد تفقد الرؤية بشكل لا رجعة فيه. إذا تمكنا من الكشف في الوقت الحقيقي عن العلامات التحذيرية لهذه الحالات وغيرها – والتدخل بسرعة – فيمكن أن يغير ذلك مسار حياة الشخص تماماً».
