علماء في UCLA يبتكرون خيمة مغناطيسية مرنة تستخلص الطاقة من المطر والرياح والحركة

صمم مهندسون وعلماء مواد في University of California, Los Angeles نموذجاً أولياً لخيمة قادرة على توليد الكهرباء من قطرات المطر وهبات الرياح والاتصال الفيزيائي البشري، مما يقدم أسلوباً جديداً لتوليد الطاقة خارج الشبكة في البيئات النائية. ووفقاً لما أفاد به TOI Science Desk في September 15, 2026، يتضمن المأوى التجريبي مواد مغناطيسية مرنة لينة تحول الإجهاد الميكانيكي إلى طاقة كهربائية. يعمل النظام بشكل تلقائي تحت ظروف جوية متغيرة، حيث يلتقط القوة الحركية من الطقس المحيط بالإضافة إلى التفاعل الفيزيائي المباشر. وفي اختبارات قياسية للتكنولوجيا، ولدت نقرة فيزيائية واحدة على المادة الوظيفية تياراً كهربائياً كافياً لشحن مكثف تخزين إلى 5.8 فولت، مما يثبت إمكانية دمج المنسوجات اللينة الحاصدة للطاقة في الهياكل الخارجية القابلة للنشر.

## Key facts - طور الباحثون في UCLA نموذجاً أولياً لخيمة تحصد الطاقة الحركية وتولد الكهرباء من قطرات المطر، وانثناءات الرياح، وحركة الإنسان. - يستخدم النظام مواد مغناطيسية مرنة تتغير مجالاتها المغناطيسية الداخلية عند تمددها أو تشوهها ميكانيكياً. - أثبتت الفحوصات المخبرية أن نقرة واحدة على المادة الحركية شحنت مكثفاً مدمجاً إلى جهد أقصى بلغ 5.8 فولت. - على عكس حاصدات الطاقة الحركية الكهروسكونية التقليدية، تحافظ المولدات المغناطيسية المرنة على كفاءتها التشغيلية في البيئات الرطبة وذات الرطوبة العالية. - تم تصميم النموذج الأولي لتوفير طاقة كهربائية إضافية خارج الشبكة لفرق الاستجابة للطوارئ، والبعثات العلمية النائية، والمخيمين الترفيهيين.

## What happened يعالج تطوير الخيمة ذاتية التغذية بالطاقة من قبل فريق البحث في University of California, Los Angeles (UCLA) تحدياً طال أمده في الأجهزة الإلكترونية القابلة للنشر: جمع طاقة نظيفة ومحلية دون الاعتماد على بطاريات ضخمة أو ألواح شمسية تتطلب سماءً صافية. ووفقاً لتقارير TOI Science Desk، يعتمد النموذج الأولي للخيمة على المرونة المغناطيسية (magnetoelasticity)، وهي ظاهرة فيزيائية تتغير فيها الخصائص المغناطيسية للمادة تحت تأثير التشوه الميكانيكي.

في تصميم UCLA، تُدمج أغشية إلاستومرية لينة بجسيمات مغناطيسية مجهرية. وعندما تتسبب القوى البيئية — مثل ارتطام قطرة مطر ساقطة بالسقف، أو عاصفة رياح تثني جدران الخيمة، أو ضغط أحد الشاغلين على المادة — في تشوه المنسوجات، تتحول النطاقات المغناطيسية الداخلية بسرعة. ويغير هذا التحول التدفق المغناطيسي، مما يحث تياراً كهربائياً داخل الدوائر الموصلة المجاورة عبر الحث الكهرومغناطيسي.

خلال التقييمات الأولية، أخضع فريق UCLA المادة لمدخلات فيزيائية خاضعة للرقابة لقياس الاستجابة الكهربائية. وكانت إحدى المحطات الرئيسية الواردة في الدراسة هي قدرة نقرة ميكانيكية واحدة على دفع التيار عبر الدائرة ورفع جهد المكثف المتصل إلى 5.8 فولت.

تكمن ميزة هندسية حاسمة في قدرتها على استغلال مدخلات طاقة حركية متعددة في وقت واحد. في البيئات الخارجية، غالباً ما تحدث الرياح والأمطار أثناء العواصف عندما يغيب الإشعاع الشمسي. ومن خلال التقاط الطاقة من تأثيرات الهطول، والحركة الهيكلية، واللمس البشري، تخلق الخيمة سطحاً لجمع الطاقة متعدد الوسائط يعمل على مدار الساعة.

## Why it matters يمثل تطبيق المولدات المغناطيسية المرنة اللينة في أقمشة المآوي المرنة خطوة هامة إلى الأمام لعلوم المواد الوظيفية، والبنية التحتية خارج الشبكة، وتكنولوجيا إدارة الكوارث. تعتمد العمليات الميدانية الحديثة — سواء أجرتها فرق بحثية في مناطق حيوية نائية، أو وحدات البحث والإنقاذ التي تعمل بعد الكوارث الطبيعية، أو الوحدات الميدانية العسكرية — بشكل كبير على الأجهزة الإلكترونية. إذ تتطلب أجهزة استقبال GPS، وأجهزة الاتصال عبر الأقمار الصناعية، وأجهزة أجهزة الاستقبال والإرسال اللاسلكي للطوارئ، والحساسات البيئية، والإضاءة المحمولة طاقة مستمرة أو متقطعة.

إن حمل بطاريات الليثيوم الأولية أو المولدات الثقيلة يضيف وزناً إلى حقائب الميدان ويخلق ثغرات لوجستية. وبينما تعد الألواح الشمسية المحمولة شائعة في البعثات النائية، فإن فائدتها تظل محدودة بالطقس، وحلول الليل، والغطاء الشجري، والغبار. وتؤدي الظروف الجوية القاسية مثل الأمطار الغزيرة وهبات الرياح القوية إلى تقليل التوليد الشمسي مع زيادة متطلبات الطاقة للأفراد العالقين. ويحول نموذج UCLA الأولي الطقس القاسي مباشرة إلى مصدر طاقة، مما يتيح للقوى البيئية شحن احتياطيات البطاريات.

علاوة على ذلك، تتغلب هذه التكنولوجيا على حاجز تقني مستمر أثر على أنظمة حصاد الطاقة الحركية المنافسة، مثل المولدات النانوية الكهرواحتكاكية (TENGs). تولد الأجهزة الكهرواحتكاكية الكهرباء من خلال التكهرب بالتماس، لكنها تعاني من فقدان شديد في الأداء عند تعرضها لرطوبة عالية أو ماء سائل، حيث تبدد الرطوبة الشحنات السطحية الساكنة. وفي المقابل، يعتمد التحويل المغناطيسي المرن على تغير المجال المغناطيسي بدلاً من تراكم الشحنة الكهروسكونية السطحية. ونتيجة لذلك، فإن قطرات الماء التي تصطدم بالسطح لا تتسبب في قصر الدائرة الكهربائية للآلية؛ بل تعمل كتلتها وسرعتها الحركية كمحرك للطاقة. ويثبت الوصول إلى 5.8 فولت من نقرة واحدة أن الجهد المتولد يمكنه تشغيل متحكمات دقيقة منخفضة الطاقة وشحن خلايا التخزين.

## The background كان حصاد الطاقة من الاهتزازات الميكانيكية المحيطة محط اهتمام الفيزياء التطبيقية وهندسة المواد لعقود. وركزت الأبحاث المبكرة على السيراميك الكهروبييزي الصلب، مثل تيتانات زيركونات الرصاص (PZT)، والتي تولد جهداً كهربائياً تحت الإجهاد الميكانيكي. ورغم نجاح المحولات الكهروبييزية في مراقبة الاهتزازات الصناعية، إلا أن هشاشتها وسميتها ومتطلبات التردد العالي حدت من تطبيقاتها في المنسوجات المرنة.

في أوائل عقد 2010، تحولت الأبحاث نحو البوليمرات المرنة والمولدات النانوية اللينة. واكتسبت المولدات النانوية الكهرواحتكاكية اهتماماً لتحويل حركة الإنسان منخفضة التردد إلى كهرباء، لكن اعتمادها على التلامس السطحي الجاف جعلها غير مناسبة للتطبيقات الخارجية الرطبة.

وللتغلب على هذه القيود، برزت المواد المغناطيسية المرنة اللينة كبديل. وتاريخياً، لوحظت المرونة المغناطيسية في السبائك المعدنية الصلبة مثل Terfenol-D أو Galfenol، والتي تتطلب قوى كبيرة لإحداث الإجهاد ولا يمكن تمديدها. وتضمنت الاختراقات الحديثة التي حققتها مجموعات أبحاث المادة اللينة، بما في ذلك فرق في UCLA، دمج جسيمات مجهرية فيرومغناطيسية داخل إلاستومرات السيليكون المرنة. وتحتفظ هذه الأفلام المركبة بمرونة فائقة، مما يتيح لها التمدد والانثناء والالتواء دون الإضرار بالمحاذاة المغناطيسية الداخلية.

وكان فريق الهندسة في UCLA رائداً في تطوير الإلكترونيات اللينة وحاصدات الطاقة البيوميكانيكية. ومن خلال توسيع نطاق التكنولوجيا المغناطيسية المرنة اللينة من رقع صغيرة قابلة للارتداء إلى منسوجات هيكلية، وسع الباحثون نطاق الحصاد الحركي من أجهزة المراقبة القابلة للارتداء ذات الميكروواط إلى هياكل المآوي واسعة النطاق.

## Reaction أثار تطوير خيمة تحصد الطاقة الحركية اهتماماً واسعاً عبر قطاعات علوم المواد، وتصنيع المعدات الخارجية، والإغاثة الإنسانية. وسلط الباحثون الأكاديميون المتخصصون في حصاد الطاقة الضوء على أهمية إثبات إنتاج جهد عالٍ من أغشية مرنة دون الاعتماد على شحنات سطحية كهروسكونية تفشل في الطقس الرطب.

ويراقب المهندسون في مجال الاستجابة للكوارث واللوجستيات الإنسانية تقنيات المآوي المؤقتة ذاتية التغذية بالطاقة عن كثب. فعقب الكوارث الجوية القاسية مثل الأعاصير أو الفيضانات أو الزلازل، غالباً ما تقيم الوحدات الطبية للطوارئ ومراكز توزيع المساعدات خياماً مؤقتة قبل وقت طويل من إعادة التيار الكهربائي إلى الشبكة المحلية. والمعدات التي تستخرج جهداً قابلاً للاستخدام مباشرة من الرياح والأمطار توفر مرونة تشغيلية تلقائية لعمال الإغاثة في البيئات القاسية.

وأشار المتخصصون الصناعيون في المعدات الخارجية إلى أن تسويق الخيام المغناطيسية المرنة سيتطلب الموازنة بين الأداء الكهربائي والأولويات التقليدية للمستهلكين، بما في ذلك الوزن والعزل والمتانة والتحمل للطقس والتكلفة. وفي حين تم تأكيد التحقق المخبري من تحويل الطاقة، تنتظر الجهات التجارية بيانات تجريبية حول كيفية تحمل الأقمشة الوظيفية للتآكل الميكانيكي ودورات التعبئة والتغليف التكرارية.

## What we don't know yet - إنتاج الطاقة المستمر: على الرغم من أن نقرة فيزيائية واحدة حققت جهداً أقصى للمكثف يبلغ 5.8 فولت، إلا أن إنتاج الطاقة المستمر أثناء المطر الخفيف المستمر أو هبات الرياح الثابتة لم يتم تحديده علناً. - وزن المادة وحجمها: لا يزال عبء الوزن الدقيق المرتبط بدمج الجسيمات المغناطيسية وحلقات الالتقاط الموصلة في قماش الخيمة القياسي غير معروف. - إمكانية التوسع في التصنيع والتكلفة: لم يتم بعد إثبات الجدوى المالية للإنتاج الضخم للمنسوجات المركبة المغناطيسية المرنة اللينة على نطاق تجاري، مقارنة بنيلون ripstop القياسي. - المتانة الميكانيكية على المدى الطويل: يتبقى تحديد عدد آلاف دورات التمدد والطي والتعبئة التي يمكن لمصفوفة البوليمر المغناطيسي اللين تحملها قبل التعرض للإجهاد الهيكلي أو التدهور المغناطيسي. - تفاصيل تكامل النظام: كيفية تقويم وتنظيم النبضات ذات الجهد العالي والتيار المنخفض الناتجة عن اصطدام قطرات المطر المنفردة بواسطة الدوائر المدمجة لإدارة الطاقة (PMICs) لشحن البطاريات القياسية.

## What to watch - النشر التقني: نشر نتائج دراسة شاملة ومحكّمة تفصل التركيبة الكيميائية الدقيقة، وكفاءة تحويل الطاقة، وبنية الدوائر الكهربائية للنموذج الأولي. - تجارب الاختبار الميداني: البيانات التجريبية من اختبارات نفق الرياح الخارجي، وتجارب هطول الأمطار الغزيرة المحاكاة، والنشر الميداني كامل النطاق في البيئات القاسية لقياس تراكم الطاقة المستمر. - تحسين المادة: التكرارات الإضافية للمادة المغناطيسية المرنة اللينة الهادفة إلى تقليل الوزن، وزيادة المرونة، وتعزيز كفاءة الاقتران المغناطيسي لزيادة إنتاج الطاقة الإجمالي. - الشراكات التجارية: اتفاقيات الترخيص المحتملة أو مبادرات البحث التعاوني بين باحثي UCLA ومصنعي الخيام التجاريين، أو شركات المعدات الخارجية، أو منظمات الأبحاث الدفاعية. - اختبارات السلامة والأداء القياسية: التقييمات المتعلقة بالتوافق الكهرومغناطيسي للمأوى المولّد للطاقة مع أجهزة الاتصالات الحساسة وأدوات الملاحة المخزنة داخل الخيمة.

يعتمد هذا التقرير على التغطية الأصلية لـ TOI Science Desk المنشورة في September 15, 2026.