شهد عالم الأجهزة الصحية القابلة للارتداء توسعًا متسارعًا خلال فترة الــ 15 عامًا التي انقضت منذ إطلاقها لأول مرة، حيث يستخدم واحد من بين كل أربعة أشخاص بالغين تقريبًا أحد أجهزة متابعة اللياقة البدنية ويدل ذلك على اتساع سوق الأجهزة الصحية القابلة للارتداء، لكن لا تزال هذه الأجهزة تقتصر على إمدادات الطاقة الخاصة بها والتي تشتمل على مستشعرات تستهلك كمية كبيرة من طاقة البطاريات، التي تكون كبيرة لدرجة تصبح فيها الأجهزة صعبة الحمل وغير مرغوبة من قبل المستهلكين. ويشهد الطلب على مصادر مرنة وموثوقة للطاقة ارتفاعًا متزايدًا. لذلك، قام فريق من الباحثين يضم الأستاذ الدكتور جانغ كيو كيم من قسم الهندسة الميكانيكية في جامعة خليفة، بالبحث في إمكانية استخدام المحلول المتأين الهلامي المائي في الحصول على بطاريات مرنة لأيونات الزنك، لتلبية هذا الطلب.
تعاون الأستاذ الدكتور جانغ كيو مع باحثين من جامعة هونغ كونغ للعلوم التطبيقية وجامعة تسينغوا بالصين، لتحليل كيفية انحناء الهلام المائي المتأيّن وانضغاطه بالإجهاد، حيث يجب أن أن تُظهِر هذه المواد توازنًا ميكانيكيًا استثنائيًا لتندمج بسلاسة مع الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء، كما يجب أن تتحمل الضغط الأولي الناجم عن التجميع، إضافة إلى الضغوط طويلة الأمد بسبب تفاعلات الشحن والتفريغ المتكررة، وأن تقاوم أيضًا التشوه الكبير، ذلك أن الأجهزة القابلة للارتداء تتحرك مع الجسم البشري.
وقال الأستاذ الدكتور جانغ كيو: "تم تجاهل إلى حد كبير الاتزان الميكانيكي للهُلام المائي تحت ضغط التشوه المتكرر، في الوقت الذي أُجريت فيه دراسات مستفيضة حول تحقيق الاستفادة المُثلى من التركيب الكيميائي وتعزيز مرونة الشد، الأمر الذي نتج عنه أداء غير مُرض عند السعة الكبيرة للدوران. وقد أجرينا تحليلات منتظمة لخصائص مقاومة الإجهاد الضاغطة للمحلول المتأين الهلامي المائي، حيث أظهرت لنا الأدوار الحيوية التي تقوم بها مصفوفتا الملح والبوليمر المشترك خلال تكون التشققات وتطورها. وتُعد هذه الدراسة الأولى من نوعها في أظهار آلية تصميم الهلام المائي المتأين لتصنيع البطاريات المتقدمة لأيونات الزنك والتي يمكن استخدامها في الأجهزة المرنة."
ونشر الفريق البحثي نتائج دراسته في المجلة العلمية "أدفانسد ماتيريالز"، وهي واحدة من أفضل 1٪ من المجلات العلمية للهندسة الميكانيكية وتكنولوجيا المواد.
وتتميز أنظمة البطاريات الخاصة بالأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء بقدرتها على الانحناء والتمدد مع حركة الجسم وتطابقها مع معايير السلامة، حيث توفر بطاريات الزنك المائية القابلة لإعادة الشحن ميزتي السلامة والتكلفة الاقتصادية المعقولة في الجيل المقبل من أنظمة البطاريات. وتوصل الباحثون إلى أن المحاليل المائية المتأينة لا تُعتبر حلولًا عملية للاستخدام في الأجهزة القابلة للارتداء، الأمر الذي قد يتيح استخدام الهُلام المائي بدلًا من المحلول المائي المتأين.
وتقوم هذه الهلاميات المائية بوقف حركة جزيئات المياه الحرة لتقليل تفاعلها والحد من المشاكل التي يشيع ظهورها في الهلام المائي المتأين، والتي تشمل العمر الافتراضي للبطارية، ويحتاج الهُلام المائي المتأين المثالي إلى أن يتمتع بمقاومة التشوه والاستخدام المتكرر. وفي هذا الصدد، استخدم أعضاء الفريق البحثي المحاليل الهُلامية المائية المعروفة بمرونتها والقائمة على متعدد الأكريلاميد، فحصلوا على أفضل هلام مائي باستخدام الزنك، كما أظهر القطب الموجب (متعدد الأكريلاميد والكيتوزان) خصائص في مقاومة الإجهاد تحت الضغط المتكرر، مع عمر افتراضي دوري يتجاوز الـ 1500 ساعة بمعدلات وقدرات عالية للتيار.
وقال الأستاذ الدكتور جانغ كيو: "أظهرنا من خلال الدراسات المنهجية لأقطاب الزنك الموجبة باستخدام محاليل هُلامية مائية متأينة متنوعة، أن خصائص مقاومة الإجهاد تحظى بدورٍ حيوي في ضمان اتزان وتكامل الهُلام المائي. يذكر أن سلوك هذه المحاليل، عند تلفها بسبب الإجهاد، يتبع قاعدة "ماينر" المعروفة والتي طُوِّرت لشرح القصور الناتج عن الإجهاد الذي يصيب المواد الصلبة كالمعادن."
واختتم الأستاذ الدكتور جانغ كيو حديثه بقوله: "تؤثر كلّ من مصفوفتي الملح والبوليمر تأثيرًا كبيرًا في الاتزان الميكانيكي للمحلول المتأين الهلامي المائي تحت الضغط المتكرر. ويبرز القطب الموجب (متعدد الأكريلاميد والكيتوزان) الذي صممناه كخيار مثالي للأقطاب الموجبة للزنك ذات الطاقة العالية، كما تُظهر البطارية مرونة واستقرارًا كبيرين بشكل يجعلها محط الأنظار في مجالات تزويد الأجهزة القابلة للارتداء بالطاقة."