طور الباحثون تقنية رائدة لقياس القوى الميكانيكية عن بعد، باستخدام أجهزة استشعار نانوية مبتكرة مصنوعة من بلورات نانوية مضيئة، وتعمل هذه التقنية على التخلص من الحاجة إلى التوصيلات المادية، مما يوفر حساسية لا مثيل لها ومجموعة واسعة من التطبيقات في مختلف المجالات، بما في ذلك الروبوتات والفيزياء الحيوية والطب واستكشاف الفضاء.

وتعمل أجهزة الاستشعار النانوية من خلال الاستجابة للقوى الميكانيكية من خلال التغيرات في شدة الضوء أو لونه، ويتم إجراء هذه القياسات عن بعد باستخدام الضوء، مما يلغي الحاجة إلى الأسلاك أو الاتصال المباشر، ويمثل هذا الابتكار قفزة كبيرة في قدرات الاستشعار عن بعد.

وستخدم أجهزة الاستشعار تأثير الفوتون الساقط، وهي عملية تقوم فيها أيونات الأرض النادرة مثل الثوليوم بتضخيم امتصاص فوتون واحد إلى فوتونات متعددة منبعثة، وتمكن هذه الآلية أجهزة الاستشعار من تحقيق حساسيتها وتنوعها غير العاديين.

وتسلط دراسة نُشرت في مجلة Nature الضوء على الإمكانات الرائدة لهذه أجهزة الاستشعار النانوية، وبقيادة جيم شوك، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية في جامعة كولومبيا، اكتشف فريق البحث أن استجابة الجسيمات النانوية للقوى الميكانيكية تجاوزت توقعاتهم الأولية، وقد تم وصف الحساسية الشديدة التي لوحظت أثناء الاختبارات بأنها تحويلية لتقنيات قياس القوة.

وتستخدم المستشعرات الضوء تحت الأحمر، الذي يخترق بعمق في الأنظمة مع الحفاظ على التوافق البيولوجي، وأكدت الباحثة ما بعد الدكتوراه ناتالي فارديان ميلاميد على فائدتها في مراقبة كل من الأنظمة التكنولوجية والبيولوجية، مما يتيح الكشف المبكر عن الفشل المحتمل.

وعلى عكس الطرق التقليدية التي تتطلب أجهزة متعددة، تعمل هذه المستشعرات النانوية عبر مجموعة من المقاييس - من مراقبة التفاعلات الفرعية الخلوية إلى تحليل الأنظمة الأكبر مثل الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية (NEMS) أو تطوير الأجنة.

ويعمل فريق البحث بنشاط على توسيع قدرات المستشعرات، وتشمل التطورات المخطط لها ميزات المعايرة الذاتية لتعزيز الدقة وسهولة الاستخدام، وتحمل التكنولوجيا وعدًا كبيرًا بمراقبة التطور الجيني واستكشاف القوى داخل البيئات المعقدة.

وأشار جيم شوك إلى توافق هذا الاختراق مع التحديات التي أبرزها الحائز على جائزة نوبل أرديم باتابوتيان، الذي أكد على أهمية فهم الأنظمة متعددة المقاييس، ومن المتوقع أن يدفع هذا التطور الأبحاث والتطبيقات عبر مجالات متنوعة، مما يوفر رؤى غير مسبوقة في ديناميكيات القوى الميكانيكية.

وإن القدرة على قياس القوى الميكانيكية دون تلامس من شأنها أن تحدث ثورة في الصناعات، ففي مجال الروبوتات، يمكن أن تعزز الدقة والوظائف، وفي مجال الطب، يمكن أن توفر طرقًا جديدة لدراسة الأنظمة البيولوجية، كما يمكن أن يستفيد استكشاف الفضاء من قدرات الاستشعار عن بعد التي توفرها التكنولوجيا في البيئات القاسية.