من التقاط أنفاسك إلى توجيه حركات الخلايا البيولوجية ، يمكن استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لألياف موصلة دقيقة وشفافة لصنع أجهزة يمكنها "الشم والسمع واللمس '' - مما يجعلها مفيدة بشكل خاص لمراقبة الصحة وإنترنت الأشياء وتطبيقات الاستشعار البيولوجي.
استخدم باحثون من جامعة كامبريدج الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والمعروفة أيضًا باسم التصنيع الإضافي ، وهي تقنيات لصنع ألياف إلكترونية ، كل منها أرق 100 مرة من شعرة الإنسان ، مما يخلق مستشعرات تتجاوز قدرات الأجهزة التقليدية القائمة.
يمكن استخدام تقنية الطباعة بالألياف ، التي ورد ذكرها في مجلة Science Advances ، في عمل مستشعرات تنفسية محمولة وغير قابلة للارتداء. تتميز هذه المستشعرات المطبوعة بحساسية عالية ومنخفضة التكلفة ويمكن توصيلها بهاتف محمول لجمع معلومات نمط التنفس والصوت والصور في نفس الوقت.
استخدم المؤلف الأول آندي وانغ ، طالب دكتوراه من قسم الهندسة في كامبريدج ، مستشعر الألياف لاختبار كمية رطوبة التنفس المتسربة من خلال غطاء وجهه ، لأمراض الجهاز التنفسي مثل التنفس الطبيعي ، والتنفس السريع ، ومحاكاة السعال. تفوقت مجسات الألياف بشكل كبير على المستشعرات التجارية المماثلة ، لا سيما في مراقبة التنفس السريع ، مما يؤدي إلى تكرار ضيق التنفس.
بينما لم يتم تصميم مستشعر الألياف للكشف عن الجزيئات الفيروسية ، حيث تشير الأدلة العلمية بشكل متزايد إلى حقيقة أن الجسيمات الفيروسية مثل فيروس كورونا يمكن أن تنتقل من خلال قطرات الجهاز التنفسي والهباء الجوي ، وقياس كمية واتجاه رطوبة التنفس التي تتسرب من خلال أنواع مختلفة من يمكن أن تعمل أغطية الوجه كمؤشر في نقاط الحماية "الضعيفة".
وجد الفريق أن معظم التسربات من الأقنعة النسيجية أو الجراحية تأتي من الأمام ، خاصة أثناء السعال ، بينما يأتي معظم التسرب من أقنعة N95 من الأعلى والجوانب ذات التركيبات الضيقة. ومع ذلك ، يساعد كلا النوعين من أقنعة الوجه ، عند ارتدائها بشكل صحيح ، على إضعاف تدفق التنفس الزفير.
"تعتبر المستشعرات المصنوعة من ألياف موصلة صغيرة مفيدة بشكل خاص للاستشعار الحجمي للسوائل والغازات ثلاثية الأبعاد ، مقارنة بتقنيات الأغشية الرقيقة التقليدية ، ولكن حتى الآن ، كان من الصعب طباعتها ودمجها في الأجهزة ، وتصنيعها على نطاق واسع ، قالت الدكتورة يان يان شيري هوانغ من قسم الهندسة في كامبريدج ، التي قادت البحث.
قامت Huang وزملاؤها بطباعة الألياف ثلاثية الابعاد المركبة المصنوعة من الفضة و/ أو البوليمرات شبه الموصلة. تخلق تقنية الطباعة الليفية هذه بنية ليفية ذات غلاف أساسي ، مع نواة ألياف موصلة عالية النقاء ملفوفة بغلاف بوليمر واقي رقيق ، على غرار هيكل الأسلاك الكهربائية الشائعة ، ولكن بمقياس قطره بضعة ميكرومتر.
بالإضافة إلى مستشعرات الجهاز التنفسي ، يمكن أيضًا استخدام تقنية الطباعة لصنع ألياف متوافقة حيوياً ذات بُعد مشابه للخلايا البيولوجية ، والتي تمكنها من توجيه حركات الخلايا و "الشعور" بهذه العملية الديناميكية كإشارات كهربائية. أيضًا ، الألياف صغيرة جدًا لدرجة أنها غير مرئية للعين المجردة ، لذلك عند استخدامها لربط العناصر الإلكترونية الصغيرة ثلاثية الأبعاد ، يبدو أن الأجهزة الإلكترونية "تطفو" في الهواء.
قالت هوانغ: "إن مستشعرات الألياف لدينا خفيفة الوزن ورخيصة وصغيرة وسهلة الاستخدام ، لذا يمكن تحويلها إلى أجهزة اختبار منزلي للسماح لعامة الناس بإجراء اختبارات ذاتية الإدارة للحصول على معلومات حول بيئاتهم".
يتطلع الفريق إلى تطوير تقنية الطباعة الليفية هذه لعدد من أجهزة الاستشعار متعددة الوظائف ، والتي يمكن أن تكتشف المزيد من أنواع التنفس لمراقبة الصحة المتنقلة ، أو لتطبيقات واجهة الآلة الحيوية.