الثورة الصناعية 4.0

مهندسون يصممون حساسًا يشبه «الفيلكرو» للكشف عن فساد الطعام وتلوثه

صمم مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حساس طعام يشبه الفيلكرو، مصنوع من مجموعة من الإبر الدقيقة الحريرية، والتي تخترق عبوات بلاستيكية لأخذ عينات من الطعام بحثًا عن علامات التلف والتلوث البكتيري.

وصُنّعت الإبر الدقيقة في الحساس من محلول من البروتينات الصالحة للأكل توجد عادة في شرانق الحرير، لتسحب السائل إلى الجزء الخلفي من الحساس، وتلامس نوعين من المواد المطبوعة إحداهما يتغير لونها عند ملامستها لسوائل ذات نطاق معين من الأس الهيدروجيني، ما يشير إلى فساد الطعام، وتصطبغ الأخرى عند استشعارها بالبكتيريا الملوثة مثل الإشريكية القولونية الممرضة.

وربط الباحثون الحساس بشريحة من الأسماك النيئة بعد حقنها بمحلول ملوث بالإشريكية القولونية، ووجدوا بعد مرور يوم واحدٍ أن جزء الحساس الذي طُبع باستخدام الحبر الحيوي الحساس للبكتيريا تحول من اللون الأزرق إلى الأحمر، وهي علامة واضحة على أن السمكة ملوثة. وبعد بضع ساعات أخرى تغير لون الحبر الحيوي الحساس للأس الهيدروجيني أيضًا، ما يشير إلى فساد السمكة.

ونُشرت نتائج البحث في دورية أدنفانسد فنكشنال ماتيريلز، وهي خطوة أولى نحو تطوير حساس قياس لوني جديد لاكتشاف علامات تلف الطعام وتلوثه.

وتساعد الحساسات الذكية للطعام في تجنب تفشي الأمراض مثل تلوث السالمونيلا الأخير في البصل والخوخ. وتفيد في توجيه المستهلكين لعدم التخلص من الأطعمة التي لها تاريخ انتهاء صلاحية مطبوع، لكنها قابلة للاستهلاك.

وقال بينيديتو ماريلي، الأستاذ المساعد في معهد ماساتشوستس للتقنية «يوجد كثير من الطعام الذي يُهدر بسبب نقص الملصقات المناسبة، ونحن نرمي الطعام دون معرفة ما إن كان فاسدًا أم لا. وستمنح تقنية كهذه الثقة للمستهلك حتى لا يهدر الطعام.»

الحرير والطباعة

وكان حساس الطعام الجديد نتيجة التعاون بين ماريلي، والذي يستخدم مختبره خصائص الحرير لتطوير تقنيات جديدة، وجون هارت، والذي تطور مجموعته عمليات تصنيع جديدة.

وطور هارت مؤخرًا تقنية الطباعة المرنة عالية الدقة، لتقديم أنماط مجهرية تتيح إنتاج إلكترونيات وحساسات مطبوعة منخفضة التكلفة. وطور ماريلي ختمًا قائمًا على الحرير يتغلغل في النباتات ويوفر العناصر الغذائية لها. وتساءل الباحثون عن إمكانيّة دمج تقنياتهم لإنتاج حساس للطعام المطبوع يراقب سلامة الأغذية.

وقال هارت «وغالبًا لا يكون تقييم صحة الغذاء بمجرد فحص سطحه جيدًا بما يكفي، وتحدث بينيديتو عن عمل مجموعته باستخدام إبرة مجهرية مع النباتات، وأدركنا أنه لا بد من دمج خبرتنا لصنع حساس أكثر فاعلية.»

وسعى الفريق لإنشاء حساس قادر اختراق سطح العديد من أنواع الطعام. ويتكون التصميم من مجموعة من الإبر الدقيقة المصنوعة من الحرير.

وقال ماريلي «الحرير صالح للأكل تمامًا وغير سام ويمكن استخدامه كمكوِّن غذائي، وهو قوي ميكانيكيًا بما يكفي لاختراق مجموعة كبيرة من أنواع الأنسجة، مثل اللحوم والدراق والخس.»

كشف عميق

وصنع كيم، المشارك في الدراسة، أولاً محلولاً من الألياف الحريرية، وهو بروتين مستخلص من شرانق العثة، وصب المحلول في قالب سيليكون بإبرة دقيقة. وأزال بعد التجفيف مجموعة من الإبر الدقيقة الناتجة، يبلغ طول كل منها نحو 1.6 ملم وعرضها 600 ميكرون، أي نحو ثلث قطر خيط السباغيتي.

ثم طور الفريق حلولاً لنوعين من الحبر الحيوي، بوليمرات قابلة للطباعة متغيرة الألوان يمكن مزجها مع مكونات استشعار أخرى. ومزج الباحثون جسمًا مضادًا حساسًا لجزيء في الإشريكية القولونية في كائن حيوي واحد. وعندما تلامس الجسم المضاد مع هذا الجزيء، فإنه يغير شكله ويدفع فيزيائيًا البوليمر المحيط، والذي يغير الطريقة التي يمتص بها الحبر الحيوي الضوء، وهكذا يغير الحبر الحيوي اللون عندما يستشعر البكتيريا الملوثة.

وصنّع الباحثون حبرًا حيويًا يحتوي على أجسام مضادة حساسة للإشريكية القولونية، وحبرًا حيويًا آخر حساسًا لمستويات الأس الهيدروجيني المرتبطة بالتلف. وطبع الباحثون الحبر الحيوي الحساسة للبكتيريا على سطح مصفوفة إبرة مجهرية، على شكل الحرف إي بالإنجليزية، ثم قاموا بطباعة الحبر الحيوي الحساس للأس الهيدروجيني بشكل حرف سي بالإنجليزية، وبدا الحرفان باللون الأزرق بدايةً.

وعمل كيم بعد ذلك على تضمين المسام داخل كل إبرة مجهرية لزيادة القدرة على سحب السوائل. واشترى عدة شرائح من الأسماك النيئة من محل بقالة محلي وحقن كل شريحة بسائل يتضمن إما الإشريكية القولونية وإما السالمونيلا وإما السائل دون أي ملوثات. ووضع حساس في كل شريحة. ثم انتظر.

وبعد حوالي 16 ساعة، لاحظ الفريق أن حرف إي تحول من الأزرق إلى الأحمر في الشرائح الملوثة بالإشريكية القولونية، مما يشير إلى أن الحساس اكتشف بدقة المستضدات البكتيرية. وبعد عدة ساعات أخرى، تحول كل من سي وإي في جميع العينات إلى اللون الأحمر ما يشير إلى تلف الشرائح كلها.
ووجد الباحثون أيضًا أن الحساس الجديد يشير إلى التلوث والفساد بشكل أسرع من الحساسات الموجودة التي تكتشف فقط مسببات الأمراض على سطح الأطعمة.

وقال كيم: «هناك العديد من التجاويف والثقوب في الطعام حيث تتواجد الميكروبات، ولا تستطيع أجهزة الاستشعار السطحية اكتشافها، لذا يتعين علينا التوصل بشكل أعمق لتحسين موثوقية الاكتشاف. فباستخدام تقنية الثقب هذه، لا يتعين علينا أيضًا فتح عبوة لفحص جودة الطعام.

ويبحث الفريق عن طرق لتسريع امتصاص الإبر الدقيقة للسوائل، بالإضافة إلى تسريع استشعار الحبر الحيوي للملوثات. فهم يرون أن يستطيعون استخدام الحساس في مراحل مختلفة من سلسلة التوريد، من المشغلين في مصانع المعالجة، الذين يمكنهم استخدام الحساسات لمراقبة المنتجات قبل شحنها، إلى المستهلكين الذين قد يختارون تطبيق الحساسات على أطعمة معينة للتأكد من أنها سليمة للأكل.

– المصدر: مهندسون يصممون حساسًا يشبه «الفيلكرو» للكشف عن فساد الطعام وتلوثه على موقع مرصد المستقبل.

مرصد المستقبل

مرصد المستقبل هي منصة علمية عالمية لاستشراف المستقبل تعمل على تغطية آخر ما توصل له العلم وقطاع التكنولوجيا باللغة العربية بشكل يومي من خلال المقالات البحثية والإنفوجرافيك والمواد المرئية. المرصد هو ناتج شراكة استراتيجية بين مؤسسة دبي للمستقبل وشركة مرصد المستقبل ذ.ذ.م. يتكون فريق العمل من خبراء ومحللين من كلتا المؤسستين لتعزيز العلم والابتكار في المنطقة.