تولید الکتریسیته به وسیله صفحاتی ژلهای، منبعی قابل انعطاف با الهام از مارماهی
مارماهی‌های الکتریکی به نوعی توانایی در بی‌حس یا ناتوان سازی طعمه خود با شوک الکتریکی ولتاژ بالا شهرت دارند. دانشمندان با الهام از این موجود، از راز بی‌حس سازی مارماهی جهت ساخت صفحه‌ای نرم و قابل انعطاف یعنی شیوه‌ای نو جهت تولید الکتریسیته اقتباس کردند. «اندام» یا وسیله الکتریکی جدید و ساختگی آنها می‌تواند در موقعیتهایی که باتری‌های معمولی قادر به تأمین انرژی نیستند، این وظیفه را به انجام برساند.
از آنجا که آب ماده اصلی این وسیله جدید است، در نتیجه در صورت خیس شدن عملکرد آن دچار اختلال نخواهد شد. بنابراین چنین وسیله‌ای می‌تواند انرژی مورد نیاز رباتهای نرم تن طراحی شده جهت شنا یا انجام حرکاتی شبیه به حرکات حیوانات واقعی را تأمین سازد. حتی ممکن است جهت به کار انداختن دستگاه‌های بکار رفته درون بدن مانند دستگاه تنظیم کننده ضربان قلب نیز مفید فایده واقع شود. و به طریق بسیار ساده یعنی فشرده شدن انرژی تولید می‌کند.
مارماهی‌های الکتریکی از سلولهایی خاص تحت عنوان الکتروسیت جهت تولید شوک‌های الکتریکی به منظور بی‌حس ساختن شکار خود استفاده می‌کنند.
تیمی تحقیقاتی واقع در سوئیس این وسیله را طی جلسه‌ای علمی در سان فرانسیسکو ارائه کردند.
مارماهی‌های الکتریکی شارژ الکتریکی خود را با استفاده از سلولهایی تخصصی تحت عنوان الکتروسیت تولید می‌کنند.مارماهی‌های الکتریکی شارژ الکتریکی خود را با استفاده از سلولهایی تخصصی تحت عنوان الکتروسیت (electrocyte) تولید می‌کنند. این سلولها قسمت اعظم بدن 2 متری مارماهی را دربرمی‌گیرند. هزاران سلول الکتروسیت به خط شده و در ردیف‌های پشت سرهم قرار می‌گیرند. آنها بسیار شبیه به ماهیچه بوده اما به شنای حیوان کمکی نمی‌کنند. این سلولها حرکت ذرات باردار شده تحت عنوان یون را جهت تولید الکتریسیته هدایت می‌کنند.
مجراهای بسیار کوچکی شبیه به لوله این سلولها را به یکدیگر متصل می‌سازند. در اکثر مواقع، این کانالها اجازه می‌دهند مولکولهای با بار مثبت یعنی یونها از دو جانب عقب و جلوی یک سلول به سمت خارج جریان یابند. اما هنگامی که مارماهی بخواهد شوک الکتریکی وارد سازد، بدن این ماهی برخی از کانالها را باز کرده و کانالهای دیگر را می‌بندد. اکنون این وضعیت مانند یک سوئیچ الکتریکی اجازه داده یونهای با بار مثبت از یک سوی کانال وارد و از سمت دیگر خارج شوند.
این یونها در حین حرکت، بار الکتریکی مثبت در برخی نواحی ایجاد می‌کنند. این امر موجب ایجاد بار الکتریکی منفی در مکانهای دیگر می‌شود. تفاوت میان بارهای الکتریکی، باعث ایجاد جرقه‌ای از جریان کوچک الکتریسیته در هر الکتروسیت می‌شود. با وجود تعداد فراوان سلولهای الکتروسیت، این جریانهای کوچک الکتریسته جمع شده و باهم می‌توانند شوکی را وارد کنند که قدرت آن جهت ناتوان ساختن ماهی یا به زمین زدن یک اسب کافی خواهد بود.
نقطه به نقطه
این وسیله ساختگی جدید از نسخه الکتروسیت منحصر به خود استفاده کرده بطوریکه هیچ شباهتی به یک مارماهی یا یک باتری ندارد. در عوض نقاطی رنگی دو صفحه پلاستیکی شفاف را می‌پوشانند. تمام این سیستم شبیه به یک جفت صفحه رنگی حبابدار است.
رنگ هر یک از نقاط نشان دهنده یک ماده ژلاتینی متفاوت است. یکی از صفحات پذیرای نقاط قرمز و آبی است. آب شور ماده اصلی نقاط قرمز است. نقاط آبی از آب شیرین تشکیل شده‌اند. صفحه‌ی دوم دارای نقاط سبز و زرد است. ژل سبز از ذرات باردار مثبت تشکیل شده و ژل زرد دارای یونهای باردار منفی است.
به منظور تولید الکتریسیته، یکی از صفحات را بالای دیگری قرار داده و آن را فشار دهید.
رنگ هر یک از نقاط نشان دهنده یک ماده ژلاتینی متفاوت است. یکی از صفحات پذیرای نقاط قرمز و آبی است. آب شور ماده اصلی نقاط قرمز است. نقاط آبی از آب شیرین تشکیل شده‌اند. صفحه‌ی دوم دارای نقاط سبز و زرد است. ژل سبز از ذرات باردار مثبت تشکیل شده و ژل زرد دارای یونهای باردار منفی است.
به منظور تولید الکتریسیته، یکی از صفحات را بالای دیگری قرار داده و آن را فشار دهید.
این نقاط رنگی متشکل از ژلهای شکل‌پذیر، حاوی آب یا ذرات باردار هستند. با فشردن این نقاط، آنها در تماس با یکدیگر قرار گرفته و می‌توانند الکتریسیته‌ای اندک اما مفید تولید نمایند.
نقاط قرمز و آبی واقع در یکی از صفحات بر روی نقاط زرد و سبز صفحه دیگر قرار می‌گیرند. نقاط قرمز و آبی همانند کانالها در الکتروسیت‌ها عمل می‌کنند. آنها اجازه داده ذرات باردار شده میان نقاط سبز و زرد جریان یابند.
درست مانند مارماهی، این حرکت بار الکتریکی، موجب تولید جریان کوچکی از الکتریسیته می‌شود. و همچنین همانند مارماهی تعداد زیاد نقاط رویهم رفته می‌توانند یک شوک واقعی ایجاد نمایند.
دانشمندان در آزمایشات توانستند 100 ولت الکتریسیته تولید کنند. این میزان به اندازه برق توزیعی ایالات متحده است. این تیم نتایج اولیه خود را در نشریه نیچر منتشر ساختند.
ساخت این وسیله یا اندام مصنوعی آسان است. ژلهای باردار آن می‌توانند با استفاده از یک چاپگر سه بعدی چاپ یا قالب زده شوند. و از آنجا که آب ماده اصلی است، این سیستم گران تمام نمی‌شود. همچنین حتی پس از فشار دادن و کشیده شده ژلها هنوز هم به خوبی کار کرده و سطح آن نسبتاً ناهموار باقی می‌ماند. به گفته‌ی توماس شرودر (Thomas Schroeder) نیازی به نگرانی در خصوص پاره شدن آنها نیست. او همراه با آنیروان گوها از فارغ‌التحصیلان دانشگاه فریبورگ در سوئیس این تحقیق را هدایت کردند.
ایده‌ای کمابیش نو
صدها سال است که دانشمندان در تلاش جهت الگوبرداری از نحوه عملکرد مارماهی‌های الکتریکی هستند. در سال 1800 فیزیکدانی ایتالیایی با نام الساندرو ولتا یکی از نخستین باتریها را اختراع نمود. او آن را «پیل الکتریکی» نامید و با الگوبرداری از مارماهی الکتریکی باتری خود را طراحی کرد.
میزان الکتریسیته تولیدی مارماهی چندان زیاد نیستمیزان الکتریسیته تولیدی مارماهی چندان زیاد نیست و مشخص شده است که مارماهی جهت تولید میزان اندکی شوک الکتریکی به انرژی فراوانی در قالب غذا نیاز دارد. بنابراین سلولهای مبتنی بر مارماهی بعید است بتوانند جایگزین منابع انرژی تجدیدپذیری مانند انرژی باد و انرژی خورشیدی شوند.
اما این بدان معنا نیست که نمی‌توانند مفید واقع شوند بلکه در اپلیکیشن‌هایی که به مقدار کمی انرژی بدون ضایعات فلزی نیاز دارند می‌توانند بکار برده شوند.
به عنوان مثال رباتهای نرم ممکن است بتوانند با مقدار کمی نیرو به کار انداخته شوند. این وسایل جهت وارد شدن به محیط‌های سخت طراحی شده‌اند. آنها می‌توانند جهت کاوش سطح اقیانوس‌ها یا آتشفشان‌ها مورد استفاده قرار گیرند. و نیز در مناطق فاجعه زده جهت یافتن بازماندگان به جستجو بپردازند. در موقعیتهایی همچون این موارد، اهمیت فراوانی دارد که منبع انرژی در صورت خیس شدن یا فشرده شدن از بین نرود. شرودر همچنین یادآور می‌شود که رویکرد شبکه ژلی نرم یا شکل پذیر آنها ممکن است قادر به تولید الکتریسیته از سایر منابع شگفت‌انگیز همچون لنزهای چشم باشد.
این تیم به مدت سه یا چهار سال بر روی این پروژه کار کرد و در طول این مدت نسخه‌های متفاوت بسیاری ساخت. ابتدا آنها از ژلاتین استفاده نکردند. بلکه سعی کردند از سایر مواد مصنوعی شبیه به غشاء یا سطوح الکتروسیت‌ها، استفاده کنند. اما این مواد شکننده بودند و اغلب در طول آزمایش از هم می‌پاشیدند.
تیم او دریافتند که ژلاتین ماده‌ای ساده و پردوام است. اما جریانهای تولیدی آن به قدری اندک است که نمی‌توان از آنها استفاده نمود. پژوهشگران این مشکل را با ساخت شبکه بزرگی از نقاط ژلهای رفع کردند. تقسیم این نقاط میان دو صفحه، به ژله‌ها اجازه داده کانالها و یونهای مارماهی را کپی برداری کنند.
این محققان اکنون در حال مطالعه جهت یافتن راه‌هایی برای کارکرد حتی بهتر این سیستم هستند.
میزان الکتریسیته تولیدی مارماهی چندان زیاد نیستمیزان الکتریسیته تولیدی مارماهی چندان زیاد نیست و مشخص شده است که مارماهی جهت تولید میزان اندکی شوک الکتریکی به انرژی فراوانی در قالب غذا نیاز دارد. بنابراین سلولهای مبتنی بر مارماهی بعید است بتوانند جایگزین منابع انرژی تجدیدپذیری مانند انرژی باد و انرژی خورشیدی شوند.
اما این بدان معنا نیست که نمی‌توانند مفید واقع شوند بلکه در اپلیکیشن‌هایی که به مقدار کمی انرژی بدون ضایعات فلزی نیاز دارند می‌توانند بکار برده شوند.
به عنوان مثال رباتهای نرم ممکن است بتوانند با مقدار کمی نیرو به کار انداخته شوند. این وسایل جهت وارد شدن به محیط‌های سخت طراحی شده‌اند. آنها می‌توانند جهت کاوش سطح اقیانوس‌ها یا آتشفشان‌ها مورد استفاده قرار گیرند. و نیز در مناطق فاجعه زده جهت یافتن بازماندگان به جستجو بپردازند. در موقعیتهایی همچون این موارد، اهمیت فراوانی دارد که منبع انرژی در صورت خیس شدن یا فشرده شدن از بین نرود. شرودر همچنین یادآور می‌شود که رویکرد شبکه ژلی نرم یا شکل پذیر آنها ممکن است قادر به تولید الکتریسیته از سایر منابع شگفت‌انگیز همچون لنزهای چشم باشد.
این تیم به مدت سه یا چهار سال بر روی این پروژه کار کرد و در طول این مدت نسخه‌های متفاوت بسیاری ساخت. ابتدا آنها از ژلاتین استفاده نکردند. بلکه سعی کردند از سایر مواد مصنوعی شبیه به غشاء یا سطوح الکتروسیت‌ها، استفاده کنند. اما این مواد شکننده بودند و اغلب در طول آزمایش از هم می‌پاشیدند.
تیم او دریافتند که ژلاتین ماده‌ای ساده و پردوام است. اما جریانهای تولیدی آن به قدری اندک است که نمی‌توان از آنها استفاده نمود. پژوهشگران این مشکل را با ساخت شبکه بزرگی از نقاط ژلهای رفع کردند. تقسیم این نقاط میان دو صفحه، به ژله‌ها اجازه داده کانالها و یونهای مارماهی را کپی برداری کنند.
این محققان اکنون در حال مطالعه جهت یافتن راه‌هایی برای کارکرد حتی بهتر این سیستم هستند.
مترجم: رزیتا ملکی‌زاده
برگرفته از سایت Sciencenewsforstudents
