الحوسبة
هل يمكن للبطاريات الداخلية تشغيل الأجهزة القابلة للارتداء من الجيل التالي وحتى مكافحة السرطان؟
تقنية الأجهزة القابلة للارتداء تعيد تشكيل حياتنا اليومية منذ فترة، وستستمر في النمو من الآن، كما يتضح من سوق الأجهزة القابلة للارتداء الذي بلغت قيمته 61.30 مليار دولار في عام 2022. في ذلك العام وحده، تم شحن أكثر من 490 مليون وحدة قابلة للارتداء للمستهلكين.
بدافع الابتكار، تشكل الأجهزة القابلة للارتداء الاتجاهات التي تمتد عبر صناعات من الاستدامة البيئية إلى الرعاية الصحية، حيث حولت هذه الإلكترونيات مراقبة الصحة والعلاجات وتشخيص الأمراض وشفاء الجروح. لتعمل بشكل موثوق، تعتمد هذه الأجهزة على بطاريات ليست فقط متوافقة حيويًا ولكن أيضًا ذات سعة كافية.
غالبية الأجهزة القابلة للزرع تُشغل ببطاريات تقليدية مثل بطاريات Ag‑Zn (فضة‑زنك) وLi‑I2 (ليثيوم‑يود). ومع ذلك، فإن هذه البطاريات التقليدية ذات سعة محدودة وتشكل خطرًا سلاميًا بسبب تسرب الكهرل العضوي.
عند إغلاقها واستخدامها لتشغيل الأجهزة القابلة للزرع، تُقيد سعة بطاريات Ag‑Zn وLi‑I2 بكتلتها، مما يحد من عمرها التشغيلي. هنا يأتي دراسة جديدة تقترح الاستفادة من المكونات التي يحتويها الكائنات الحية طبيعيًا. تشمل هذه المكونات العرق، الإنزيمات، الجلوكوز، والأكسجين المذاب، والتي يمكن استخدامها كمصادر طاقة مستمرة للبطاريات.
استخدام مكونات نشطة مثل O2 والجلوكوز كأقطاب سالبة/موجبة يمكن الحصول عليها باستمرار عبر الأيض يُظهر أداءً كيميائيًا كهربائيًا جيدًا سواءً في المختبر أو داخل الجسم.
نُشرت في Cell Press، الـ دراسة تقترح بطاريات معدن‑O2، التي ستستخدم O2 كمكون نشط في القطب السالب وتُجمع مع قطب معدني. بهذه الطريقة، ستوفر كثافات طاقة عالية جدًا تتراوح بين 5 إلى 10 أضعاف البطاريات القابلة للزرع المتاحة حاليًا.
نظريًا، توفر بطاريات Li‑O2 وبطاريات الصوديوم‑أكسجين (Na‑O2) كثافات طاقة مختلفة تبلغ 3,458 و1,605 واط‑ساعة/كغ على التوالي. هذه القيم تتجاوز بكثير تلك الخاصة ببطاريات الليثيوم‑أيون الحالية.
أُجريت الدراسة بواسطة يانغ لوف، شيزنجغ ليو، جيوكونغ ليو، ويه دينغ، جميعهم مرتبطون بمختبر المواد المسامية المتقدمة الوظيفية، معهد مواد الطاقة الجديدة وتقنيات منخفضة الكربون، كلية علوم وهندسة المواد، جامعة تيانجين للتكنولوجيا، الصين.
شمل الباحثون الآخرون شوانغ وو وبينغلي وو من كلية الكيمياء وعلوم المواد، معهد علوم الحياة والتنمية الخضراء، جامعة خبي، الصين؛ شوانغيونغ صن من كلية الصيدلة، جامعة تيانجين الطبية؛ ويونغغانغ وانغ من قسم الكيمياء ومختبر شنغهاي الرئيسي للتحفيز الجزيئي والمواد المبتكرة، معهد الطاقة الجديدة، iChEM، جامعة فودان، الصين.
تلقت الدراسة دعمًا ماليًا من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين، والبرنامج الوطني الرئيسي للبحث والتطوير في الصين، وصندوق العلوم الوطني للباحثين الشباب المتميزين.
بطارية Na‑O2 القابلة للزرع والمتوافقة حيويًا
الأكسجين ضروري للحياة وموجود في جميع الأنسجة الحية. وبالمثل، الصوديوم، وهو عنصر أساسي آخر، يتواجد على نطاق واسع في أجسامنا على شكل Na+. هذه الانتشار يجعل بطاريات المعدن‑O2 واعدة كمصادر طاقة تُجدد باستمرار.
بينما تم تطوير الصوديوم كقطب سالب واعد للبطاريات القابلة لإعادة الشحن، حظيت بطاريات Na‑O2 بشعبية خاصة بسبب انخفاض تكلفتها، وكثافات الطاقة النظرية العالية، وإمكانيتها للاستخدام في الشبكات الذكية والإلكترونيات المحمولة. علاوة على ذلك، يمكن استقلاب ناتج تفريغ بطاريات Na‑O2 بسهولة في الكبد والكلى، مما يزيد من جاذبيتها.
بهذه الطريقة، يمكن لبطاريات Na‑O2 تلبية متطلبات إمداد المواد الخام المستمر وكذلك استقلاب المنتج داخل الجسم.
وبالتالي، ليست هذه المرة الأولى التي يركز فيها الباحثون على بطاريات Na‑O2. في عام 2018، دراسة أشارت إلى إمكانيتها بفضل كثافة الطاقة النظرية العالية والموارد الوفيرة، مع الإشارة إلى بطئ حركتها بسبب تكوين منتجات تفريغ كبيرة الحجم بأشكال مكعبة أو غير منتظمة.
ورقة أخرى من تأليف حسين ياديغاري وشويلانغ سون من قسم الهندسة الميكانيكية ومواد الهندسة بجامعة أوسترن أونتاريو أشارت إلى أن بطاريات Na‑O2 برزت كبديل فعال للطاقة مقارنةً ببطاريات Li‑O2. تعتمد على كيمياء السوبرأكسيد القابلة للعكس، حيث تُظهر خلاياها شحنًا بجهد زائد أقل مقارنةً بنظيراتها من الليثيوم، ما يمكن ترجمته إلى أداء دوراني عالي.
ومع ذلك، أشار إلى أن التفاعل بين زوج الأيونات غير كافٍ لمنع الهجوم النوكليوفيلي لـ O2 على إلكتروليت الخلية. بالإضافة إلى ذلك، تُشكل الاستقرار الداخلي لـ NaO2 والفاعلية الكيميائية الأعلى للـ Na المعدني تحديات في تقدم بطاريات Na‑O2. وعلى الرغم من قلة التقارير حول هذه البطاريات، فإن المزايا المحتملة الكبيرة للبطاريات المعدنية القابلة للزرع تُبرز أهمية معالجة التحديات القائمة.
تُبرز الدراسة الأخيرة ضرورة أن تكون البطاريات المستخدمة داخل الجسم ذات بنية مفتوحة، لضمان امتصاص O2 من سوائل الجسم. كما تؤكد على أهمية اختيار مكونات البطارية التي تُظهر توافقًا حيويًا جيدًا لتجنب الرفض والتفاعلات. علاوة على ذلك، نظرًا لتفاعلها العالي، يجب حماية القطب السالب القائم على الصوديوم جيدًا. كما يحتاج تصميم البطارية إلى مرونة للسماح باتصال ثابت ومقرب مع الأنسجة الرخوة.
وبالتالي، يقترح الفريق تصميمًا جديدًا لبطارية Na‑O2 يستخدم سبيكة صوديوم مستقرة (NaGaSn) كقطب سالب (من حيث تدخل الكهرباء) ومكونًا من الذهب النانومسام (NPG) كقطب موجب (حيث تخرج الكهرباء)، مفصولين بغشاء تبادل أيونات (Nafion).
بدلاً من استخدام صوديوم معدني نقي، اختار الباحثون سبيكة NaGaSn الثلاثية لتعزيز السلامة ومقاومة التآكل داخل الكائنات الحية. في الوقت نفسه، استُدم الذهب النانومسام كقطب سالب في بطاريات المعدن‑هواء لتفاعل اختزال الأكسجين. أثناء التفريغ، يُزود O2 باستمرار من سوائل الجسم ويُختزل عبر تحفيز NPG.
نتائج واعدة، تطبيقات محتملة
مع تزايد الاهتمام بالإلكترونيات القابلة للزرع بفضل إمكانيتها في إحداث ثورة في مراقبة الرعاية الصحية الشخصية والعلاج الدقيق، يزداد أهمية البطاريات القابلة للزرع بصورة متناسبة. هنا، يمكن لاستخدام المكونات النشطة من الكائنات الحية توفير مصادر طاقة طويلة الأمد، مما يقلل الحاجة إلى استبدال البطاريات بشكل متكرر عبر عمليات جراحية، ويقدم حلاً أكثر استدامة على المدى الطويل.
نجحت الدراسة في تطوير بطارية Na‑O2 قابلة للزرع ومتوافقة حيويًا تتميز ببنية قطب سالب مفتوحة تعمل بسلاسة. في الفئران، حققت البطارية المدمجة كثافة طاقة قدرها 2.6 ميكروواط/سم² عند 1.3 فولت، مما يُظهر توافقًا حيويًا ممتازًا داخل الجسم.
أظهرت النتائج عدم وجود التهاب كبير حول البطاريات المزروعة. علاوة على ذلك، تتجدد الشعيرات الدموية جيدًا حول القطب السالب، مما يوفر مصدرًا مستمرًا من O2 للبطارية.
في الوقت نفسه، مكن محفز القطب السالب NPG البطارية من تحقيق استقرار ممتاز، وهو ما أشارت إليه الدراسة باعتبار NPG “الخيار الحتمي” كقطب سالب لبطارية Na‑O2. ساعد غشاء PLCL المصنوع بتقنية السحب الكهربي على تحسين التوافق الحيوي، كما أن بنية الغشاء المسامية التي تعمل كقنوات لنقل الكتلة والإلكتروليت سمحت بمرور سوائل الجسم وانتشار O2.
أما أيونات Na+ وOH− التي تُنتج أثناء عملية التفريغ، فقد دخلت الدم دون التسبب في اضطراب الإلكتروليت، ولم ينتج عن استقلابها في الجسم أي شذوذ في الكبد أو الكلى.
كما أظهرت نتائج الدراسة إمكانًا واعدًا كمصدر طاقة لتشغيل الإلكترونيات الدقيقة القابلة للزرع. علاوة على ذلك، يبرز استهلاك O2 من سوائل الجسم تطبيقات بطارية Na‑O2 المحتملة في مجالات البحث البيولوجي والطبي. وفقًا للدراسة:
“بطاريتنا Na‑O2 تُحدث ثورة في مفهوم البطاريات القابلة للزرع، إذ يؤدي استهلاك O2 أثناء التفريغ إلى وظيفة نزع الأكسجين، مما يوفر أيضًا طريقة جديدة لدمج الزرعات الإلكترونية الحيوية والعلاج الحيوي تجاه الأمراض المرتبطة بالبيئات اللاهوائية.”
إذن، بطارية Na‑O2 لديها بوضوح إمكانات كبيرة، لكنها لا تقتصر على تشغيل الأجهزة القابلة للارتداء فحسب؛ بل يمكن أن تُستخدم على نطاق أوسع، بما في ذلك تطبيقات السرطان ومراقبة شفاء الجروح.
أشارت الدراسة أيضًا إلى أن الخرف الشيخوخي والسرطان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا بمستويات الأكسجين في الأنسجة المعنية. بطارية مائية مالحة ذات شحن ذاتي للعلاج المضاد للورم عبر استهلاك O2 تم الإبلاغ عنها مؤخرًا تفتح طريقة جديدة لدمج الزرعات الإلكترونية الحيوية والعلاج الحيوي.
إن التحكم الدقيق في تركيز O2 في البطارية الحالية يُظهر قدرات علاجية محتملة ضد الأمراض الناجمة عن تراكم الأكسجين أو البكتيريا الممرضة. علاوة على ذلك، يمكن للمحفزات في قطب بطاريات Na‑O2 تقليل جذور السوبرأكسيد التي تسبب الخرف الشيخوخي، مما يبرز تطبيقاتها المحتملة في هذه المجالات أيضًا.
إذن، رغم أن هناك العديد من التحديات التي لا تزال بحاجة إلى معالجة، فإن بطارية Na‑O2 (الصوديوم‑أكسجين) “واعدة للغاية ويمكن أن تشعل ثورة جديدة في مجال الأجهزة القابلة للزرع، مما يؤدي إلى تطوير أساليب جديدة لعلاج الأمراض المتنوعة”، وفقًا للدراسة.
انقر هنا لتعرف على الأجهزة القابلة للارتداء الإبداعية من الجيل التالي – الأقراط الحرارية
حلول الأجهزة القابلة للارتداء في مجال التكنولوجيا الحيوية قيد التطوير
تقنية الأجهزة القابلة للارتداء تدور أساسًا حول الأجهزة الإلكترونية التي تُرتدى على الجسم لمراقبة المقاييس. اليوم، تُطوّر هذه الأجهزة مجموعة واسعة من الصناعات، من الطب والرياضة والتكنولوجيا المالية إلى التصنيع والمزيد.
في صناعة الرياضة، توفر الأجهزة القابلة للارتداء للرياضيين بيانات فورية وتعليقات حول أدائهم. تستخدم النظارات الشمسية الذكية، الأحذية، والملابس حساسات لتتبع ومراقبة معدل ضربات القلب، الخطوات، والنشاط البدني، إلى جانب مقاييس أخرى متعددة. يمكن بعد ذلك استخدام هذه المعلومات لإجراء تحسينات في مجالات معينة وتعديل خطط اللياقة والتدريب وفقًا لذلك.
في قطاع التصنيع، تساعد هذه الأجهزة على ضمان سلامة مكان العمل من خلال توفير تنبيهات فورية ومعلومات حول الحالات الخطرة المحتملة. وفي الوقت نفسه، من خلال تتبع كفاءة وإنتاجية العمال، تساعد على تحديد مجالات التحسين ثم إجراء التعديلات المناسبة في سير العمل.
ومع ذلك، فإن صناعة الرعاية الصحية هي التي تشهد تحولًا حقيقيًا بفضل تقنية الأجهزة القابلة للارتداء عبر أجهزة مثل الساعات الذكية، متتبعات اللياقة، المستشعرات الحيوية، أجهزة قياس ضغط الدم، وأجهزة تخطيط القلب (ECG).
تمكن الأجهزة القابلة للارتداء المستخدمين من جمع بياناتهم الصحية الخاصة، ومن ثم اتخاذ إجراءات بناءً عليها. يمكن للمتخصصين في الرعاية الصحية التخفيف من الحالات المهددة للحياة من خلال مراقبة المرضى في الوقت الفعلي، وهو ما تسهّل الأجهزة القابلة للارتداء.
تتبع هذه الأجهزة وتراقب العلامات الحيوية والبيانات الصحية، مما يمكّن الأطباء ومقدمي الرعاية من اكتشاف المشكلات الصحية المحتملة وتقديم تدخلات في الوقت المناسب. كما تزود الباحثين والأطباء برؤى قيمة لتطوير البحوث السريرية وإبداع علاجات وعقاقير جديدة.
في الوقت نفسه، يمكن لمقدمي الخدمات وشركات التأمين الاستفادة من هذه الأجهزة لتقديم خطط صحية أكثر دقة وتخصيصًا. كما تستخدمها المؤسسات لتشجيع العادات الصحية بين الموظفين.
في قطاع التكنولوجيا الحيوية، تسمح الأجهزة القابلة للارتداء بمراقبة الحالة الفسيولوجية غير الجراحية وكذلك حالة المرض وتعرض السموم. يمكن أن تكون مساعدة كبيرة في الطب الدقيق من خلال تمكين الباحثين والعلماء من تحديد أي آثار جانبية محتملة. علاوة على ذلك، توفر الأجهزة القابلة للارتداء رؤى حول الظروف البيئية، مثل درجة الحرارة وجودة الهواء، لدراسة تأثيراتها على الأنظمة البيولوجية.
الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات التي تطور حلولًا قابلة للارتداء.
#1. جوجل-المستحوذة على Fitbit
هذه الشركة معروفة جدًا في صناعة الأجهزة القابلة للارتداء بفضل متتبعات اللياقة التي تراقب مقاييس صحية مختلفة مثل مستويات النشاط، معدل ضربات القلب، وأنماط النوم. كما تقدم منصة تدريبية توفر حلولًا للباحثين، أنظمة الرعاية الصحية، وبرامج العافية للشركات. تركز Fitbit أساسًا على لياقة المستهلك وقد تعاونت مع شركات الرعاية الصحية.
في وقت سابق من هذا العام، تعاونت Fitbit التابعة لجوجل مع شركة الاختبارات المخبرية Quest Diagnostics لدراسة كيف يمكن لتقنيات الأجهزة القابلة للارتداء تحسين الصحة الأيضية وربما الوقاية من أمراض مثل السكتة الدماغية، السكري، والخرف، وغيرها. كما تعاونت مع ViviHealth للتحليلات التنبؤية والوصفية لتحويل مراكز الصحة السلوكية.
(GOOGL )
جوجل هي شركة ذات قيمة سوقية تبلغ 1.9 تريليون دولار، وسعر سهمها 153.16 دولار، بارتفاع 9.5% منذ بداية العام. بلغت إيرادات الشركة (TTM) 307.39 مليار دولار، وربح السهم (EPS) (TTM) 5.80، ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 26.41.
#2. Garmin
تنتج الشركة أجهزة قابلة للارتداء للأنشطة الرياضية مع ميزات لمراقبة معدل ضربات القلب، مستويات التوتر، وحتى قياس نسبة الأكسجين في الدم. تتتبع سلسلة Venu أنماط الجسم وجودة النوم وتتكامل مع هواتف Android وApple لمزيد من الراحة. من خلال أجهزتها، تساعد Garmin المستخدمين على الحفاظ على أهدافهم الصحية وتهدف إلى تحسين الصحة العامة للمجتمع، وتعزيز العافية، وتقليل استهلاك الرعاية الصحية.
بدأت الشركة قبل ثلاثة عقود بمنتجاتها المتقدمة للملاحة عبر نظام GPS لصناعة الطيران، ثم توسعت لتغطي الأسواق البحرية، السيارات، الأنشطة الخارجية، واللياقة. تركيزها الحالي هو التوسع في السوق الهندية والاستحواذ على قاعدة المستهلكين المتوسطة المتزايدة.
#3. Abbott Laboratories
تطوّر الشركة مجموعة متنوعة من الأجهزة الطبية، بما في ذلك تقنيات الأجهزة القابلة للارتداء. يشمل ذلك FreeStyle Libre، وهو مستشعر دائري صغير يُثبت على الجزء العلوي من الذراع ويُقدم قراءات جلوكوز فورية للأشخاص المصابين بالسكري لمساعدتهم على إدارة حالتهم بفعالية أكبر. يُعد هذا المستشعر القابل للارتداء للغلوكوز رائدًا في السوق ويستخدمه أكثر من 5 ملايين مستخدم حول العالم.
(ABT )
إلى جانب السكري، تقدم الشركة التي تتخذ من إلينوي مقرًا لها خدمات في الحركة الجسدية وأمراض القلب. بقيمة سوقية تبلغ 193.62 مليار دولار، يتم تداول أسهم الشركة عند 111.56 دولار، بارتفاع 1.53% منذ بداية العام. بلغت إيرادات الشركة (TTM) 40.10 مليار دولار، وربح السهم (EPS) (TTM) 3.27، ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 34.10.
#4. BioTelemetry Inc.
الآن جزء من شركة Philips، تقدم BioTelemetry أنظمة مراقبة طبية عن بُعد، بما في ذلك أجهزة قابلة للارتداء لمراقبة القلب. تتعقب هذه المستشعرات القابلة للارتداء اضطرابات إيقاع القلب ومقاييس قلبية أخرى في الوقت الفعلي. في أواخر عام 2020، استحوذت Philips على BioTelemetry في صفقة بقيمة 2.8 مليار دولار.
الخلاصة
سوق تقنيات الأجهزة القابلة للارتداء يشهد ازدهارًا ومن المتوقع أن يتجاوز 118 مليار دولاربحلول عام 2026. في النهاية، تدخل الأجهزة القابلة للارتداء مجموعة واسعة من الصناعات، من اللياقة، والتعليم، والترفيه إلى السفر والموضة.
ومع تزايد المخاوف الصحية، تُحدث الأجهزة القابلة للارتداء تأثيرًا ملموسًا على عاداتنا، صحتنا، وحياتنا. وعلى الرغم من أن هذه الأجهزة تصبح أكثر تعقيدًا، فإن مشكلة البطارية هي أمر يجب حله.
كما نرى هنا، تُجرى دراسات لإطالة عمر الأجهزة القابلة للارتداء ومساعدتها في مكافحة أمراض مثل السرطان. في المستقبل، سيساعد التقدم التكنولوجي والبحث العلمي الأجهزة القابلة للارتداء على تحسين تقديم الرعاية الشخصية وتحسين نتائج المرضى بشكل كبير.
انقر هنا للحصول على قائمة بأهم الشركات المتابعة للصحة القابلة للارتداء للاستثمار فيها.
