تحدث عن منظر غير عادي: دمية صفراء زاهية ملتصقة بصخرة رطبة على الساحل. تتعرض الأمواج لها لعدة أيام، لكنها لا تتحرك بوصة واحدة – بفضل لاصق فائق الالتصاق تم تصميمه بواسطة الذكاء الاصطناعي.
إذا كنت قد جربت من قبل إصلاح أنبوب مسرب أو سقف، فستعلم أن المواد اللاصقة الكيميائية لا تعمل بشكل جيد. تجف المواد اللاصقة الفائقة بسرعة مع الرطوبة، ولا يوجد وقت كبير لتطبيقها. كما أنها تميل إلى التصدع على الأسطح غير المستوية، مثل الصخور أو الأنابيب، وفي الظروف المالحة والرطبة.
الهيدروجيلات اللينة هي بديل أكثر مرونة، لكن خصائصها القابلة للتمدد غالبًا ما تلغي تلك التي تجعلها لاصقة. ومع ذلك، لطالما أراد العلماء استخدام الهيدروجيلات كمواد لاصقة في التطبيقات الطبية. يمكن أن يقوم هيدروجيل فائق الالتصاق بإغلاق الجروح العميقة، ويعمل كضمادة أثناء الجراحة، ويساعد الأنسجة على الشفاء بشكل أسرع. يمكن أن تغطي أيضًا الأطراف الصناعية أو أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء.
المشكلة؟ يميل الجسم إلى أن يكون رطبًا وغير مستوٍ ومالحًا. لدى الطبيعة حل. من البكتيريا إلى البرنقيل، والمحار، والرخويات، مجموعة من الكائنات الحية تضخ لاصقات بروتينية لزجة تسمح لها بالزحف أو الإمساك بالأسطح الرطبة. هذه المواد اللاصقة أحيانًا قوية جدًا لدرجة أنك تحتاج إلى أدوات لإخراج الحيوانات منها.
الآن، قام فريق من اليابان والصين بتحويل هذه البروتينات الطبيعية إلى هيدروجيلات لزجة واستخدموا الذكاء الاصطناعي لتخيل نسخ أكثر لزوجة. واحدة من ابتكارات الذكاء الاصطناعي تمسكت بأسطح السيراميك والزجاج والمعادن في الماء المالح لأكثر من عام – مع كيلوغرام (حوالي 2.2 رطل) من الوزن معلقًا منها. ونعم، لقد ألصقت أيضًا دمية مطاطية بصخرة ساحلية غير مضيافة. أخرى أغلقت أنبوب ماء مكسور لمدة خمسة أشهر. كانت كلا النسختين أيضًا متوافقة حيويًا مع الفئران، مما يشير إلى أن المواد اللاصقة الفائقة التي تم إنشاؤها بواسطة الذكاء الاصطناعي لديها مستقبل في الطب.
“يمكن أن تكون الهيدروجيلات فائقة الالتصاق مثل هذه التي تلتصق بقوة بالأسطح غير المستوية والرطبة تحويلية للعديد من التطبيقات الطبية الحيوية”، كتبت لورا روسو في جامعة ميلانو-بيكوكا، التي لم تشارك في الدراسة.
انتفاخ الهيدروجيل
استخدام الذكاء الاصطناعي لاكتشاف وتصميم المواد ليس جديدًا. لكن الدراسات كانت تركز في الغالب على المواد الصلبة أو المواد الكيميائية الصغيرة. واحدة من هذه الدراسات وجدت ملايين البلورات غير المعروفة سابقًا التي قد تكون مفيدة في تصميم الدوائر الدقيقة والبطاريات. أخرى، بالتعاون مع نظام روبوتي، قامت بتخليق مجموعة متنوعة من المواد الجديدة تلقائيًا.
لكن بشكل ساخر، كانت الهيدروجيلات اللينة دائمًا صعبة الفهم.
تمتلك المواد الصلبة غير العضوية هياكل وخصائص محددة جيدًا، مما يسهل تدريب الذكاء الاصطناعي على نمذجتها. بالمقابل، تتكون الهيدروجيلات من جزيئات لينة تتمدد في الماء. تحتوي الجل على شبكات من الجزيئات التي تمتد “فروعها” مثل الأشجار الصغيرة. تعتمد الهيكلية ثلاثية الأبعاد للجل على كيفية تفاعل كل فرع جزيئي مع الآخرين.
تتغير المواد أيضًا تحت الضغط وتنتفخ في البيئات الرطبة. هذه الخصائص هي نقيض ما ترغب فيه في لاصق فائق الالتصاق.
استخدام الذكاء الاصطناعي للعثور على “الهيدروجيلات المناسبة لوظيفة معينة هو مهمة أكثر تعقيدًا بكثير” من اكتشاف المواد الصلبة، كتبت روسو. لقد تم استخدام الذكاء الاصطناعي فقط للتنبؤ بكيفية تصرف الهيدروجيلات، مثل كيفية انتفاخها وما إذا كانت مفيدة لمشاريع الطباعة ثلاثية الأبعاد. ستحتاج إلى قاعدة بيانات كبيرة من البروتينات اللزجة ليتعلم الذكاء الاصطناعي كيفية تصميمها – لكن لا توجد واحدة.
فكرة لزجة
استلهمت الدراسة الجديدة من حوالي 200 نوع تضخ بروتينات لزجة، بما في ذلك البكتيريا والبرنقيل. تم تسلسل العديد من هذه البروتينات.
من خلال مسح قواعد بيانات البروتينات الموجودة، لاحظ الفريق أي تسلسل للأحماض الأمينية يمكن أن يؤدي إلى بروتينات تبقى لزجة تحت الماء. ثم قاموا بتصميم وصنع 180 هيدروجيل، كل منها مبني من جزيئات ذات أعلى احتمالات التصرف كمواد لاصقة طبيعية. في اختبارات المختبر، وثقوا لزوجتها، وانتفاخها، وكيف تصرفت في الماء الجاري.
باستخدام هذه البيانات، درب الفريق ذكاءً اصطناعيًا لتصميم لاصقات هيدروجيل تحت الماء أكثر قوة. قاموا بإعادة نتائج الذكاء الاصطناعي الأفضل إلى الخوارزمية لتحسينها أكثر. بعد ثلاث دورات، تفوقت قوة التصاق أفضل ثلاث هيدروجيلات بشكل كبير على مجموعة بيانات التدريب.
شملت هذه R1-Max، الجل الذي ألصق الدمية بالصخرة. تعتبر صخرة ساحلية رطبة وزلقة واحدة من أسوأ السيناريوهات للاصق. يمكن أن تسحب الأمواج بسهولة لعبة خفيفة الوزن، وتغير المد مستوى الرطوبة، وهو ما لا تستطيع معظم المواد اللاصقة تحمله.
“نريد أن نظهر أن هيدروجيل لاصقنا… يمكن أن يلصق الدمية بالصخرة الرطبة… والدمية لطيفة”، قال مؤلف الدراسة هايلونغ فان لـ Nature. تعرضت الدمية للأمواج المتدفقة، لكنها أثبتت أنها عنيدة مثل البرنقيل على صخرتها الصخرية.
في اختبار آخر، قام الهيدروجيل، الذي تم تشكيله مثل ضمادة كبيرة، بإصلاح أنبوب يتدفق منه الماء على الفور. أغلق الجل الثقب لأكثر من خمسة أشهر، مما يشير إلى أنه يمكن استخدامه لإصلاح التسريبات الطارئة تحت الماء.
المادة أيضًا متوافقة حيويًا. عند إدخالها تحت جلد الفئران، استمرت الكائنات في حياتها دون ردود فعل مناعية ملحوظة أو آثار جانبية أخرى. “يمكن أن تكون الهيدروجيلات فائقة الالتصاق مثل هذه التي تلتصق بقوة بالأسطح غير المستوية والرطبة تحويلية للعديد من التطبيقات الطبية الحيوية”، كتبت روسو.
يمكن أن يقوم الذكاء الاصطناعي بتصميم مواد لينة أخرى أيضًا، خاصة تلك التي لها استخدامات طبية. لكن سيتعين عليه التنقل عبر تعقيدات الأنسجة والأعضاء – قد لا يعمل هيدروجيل مصمم للجلد على القلب أو الشرايين. يمكن أن تؤثر جزيئات مختلفة في كل عضو أيضًا على كيفية عمل الجل.
يعمل الفريق الآن على محاولة استكشاف “عقل” الذكاء الاصطناعي لمعرفة سبب لزوجة R1-Max. معرفة السبب الدقيق يمكن أن يؤدي إلى مواد لاصقة بروتينية أفضل.
بشكل أوسع، يظهر العمل “أن الذكاء الاصطناعي لم يعد مجرد أداة يتم استكشافها بحذر في علم المواد”، كتبت روسو. “لقد تم اعتماده بالفعل لتحسين ودعم تصميم وتوليد المواد.”
