الأجهزة القابلة للزراعة للرصد البيئي في الوقت الحقيقي

وقد حولت الأجهزة القابلة للاشتعال الطريقة التي نتفاعل بها مع بيئتنا المباشرة وفهمها، إذ إن هذه الأجهزة، بدمج أجهزة الاستشعار المتقدمة في عوامل مدمجة، أو شكلية مصممة على الجسم، تتيح للمهندسين رصد نوعية الهواء، ودرجة الحرارة، ودرجة الرطوبة، ومستويات الضوضاء، والإشعاع فوق البنفسجي، والمركبات العضوية المتقلبة، ولا تستخدم هذه الأجهزة كأدوات للراحة الشخصية فحسب، بل أيضا كبنى أساسية حيوية للصحة العامة، والسلامة المهنية، والعدالة البيئية.

The growingwing Importance of Real-Time Environmental Monitoring

كما أن الرصد البيئي في الوقت الحقيقي يوفر بيانات فورية وقابلة للتنفيذ يمكن أن تساعد الأفراد والمجتمعات على اكتشاف آثار التلوث، والظواهر الجوية البالغة الشدة، والإشعاع الكهرومغناطيسي، أو المخاطر البيولوجية، وخلافاً لمراكز الرصد الثابتة التقليدية، فإن القابلات للزراعة تتيح إمكانية الحصول على بيانات التعرض الشخصي، بما يسهم به الشخص في الواقع، أو اللمسات، أو التجارب التي يمر بها عبر مختلف البيئات المجهرية، وهذا أمر حاسم لأن تركيزات الملوثات يمكن أن تتباين بشكل كبير في حدود بضعة مترات الحضرية.

كما أن المرصد البيئي المستقر يدعم الصحة المهنية، فالعمال في مجالات التشييد والتعدين والتصنيع والزراعة وإدارة النفايات يواجهون مخاطر من الغبار والغازات السمية والضوضاء ودرجات الحرارة القصوى، ويمكن أن يوفر جهاز قابل للذوبان يتتبع باستمرار هذه البارامترات إنذارات المبكرة وبيانات التعرض للأخشاب لأغراض الامتثال، ويساعد على منع الأمراض المزمنة مثل السيليكوسي أو فقدان سمع ناجم عن الضجيج، كما أن الملوثات والإجهاد الناتج عن الفي من الطلقات الخارجية يمكن أن يُه من رصدها.

ويزيد إدماج هذه الأجهزة في شبكة الإنترنت من تأثيرها، ويمكن تجميع البيانات التي تجمع من العديد من المواد القابلة للزراعة من أجل وضع خرائط عالية الاستبانة للتلوث، والتحقق من نوعية الهواء، والاستنارة بقرارات التخطيط الحضري، ومن ذلك مثلاً أن [(FLT:0]]]] البحث الذي ينشر في أجهزة الاستشعار [FwardLT:1] يبين كيف تُحسن شبكات الاستشعار ذات القاعدة المجتمعية.

التحديات الهندسية في الأجهزة البيئية القابلة للزراعة

إن تصميم جهاز قابل للارتداء يقيس المعايير البيئية ويظل غير متجانس وسهل الاستعمال يشكل تحديات هندسية كبيرة، إذ يشمل هذا النظام العديد من التخصصات: الفيزياء المجسية، والتصميم الميكانيكي، والإلكترونيات الكهربائية، والاتصالات اللاسلكية، وعلوم البيانات، ونستكشف العقبات الرئيسية والاستراتيجيات التي يستخدمها مهندسو الفيزياء للتغلب عليها.

التعدين ومصانع الاستمارة

وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون الحساسات صغيرة وخفيفة، وخفيفة المستوى منخفضة الصنع، وأن تدمج في الساعات أو النطاقات أو التصفيق أو الملابس دون أن تسبب الاضطرابات، وكثير من أجهزة الاستشعار البيئية - مثل أجهزة الاستشعار بالغاز الكهروكيميائي، أو مضادات الجسيمات البصرية، أو أجهزة الاستشعار ذات الصبغة الخفية - التي توضع أصلاً للاستخدامات المختبرية أو الصناعية، وهي تقنيات شديدة الحساسية.

قياس الاستحقاق في ظل الظروف الحقيقية في العالم

وتشغل أجهزة الاستشعار المرهقة في ظروف شديدة التباين: تقلبات الحرارة، والرطوبة، والريح، والحركة يمكن أن تؤثر جميعها على القراءات، فعلى سبيل المثال، فإن أجهزة الاستشعار عن درجة الحرارة المرتبطة بالرسغ ستتأثر بحرارة الجسم التي تصيب البيرتر، وتستلزم الخوارزميات لطرح علامات خط الأساس وتقدير درجة الحرارة المحيطة، وبالمثل، يمكن أن تُغفل نماذج رطوبة من الماء أو من سمات الجلد.

إدارة الطاقة وتعبئة الطاقة

كما أن أجهزة الاستنشاق بالبطارية ذات الترددات المنخفضة، أو أجهزة الاستشعار ذات القدرة المنخفضة على إحداث الاحترار، أو أجهزة الاستنشاق بالبطارية، أو أجهزة الاستنشاق بالبطارية ذات القدرة المنخفضة، أو أجهزة الاستنشاق بالبطارية ذات القدرة المنخفضة، أو أجهزة القياس ذات السعة السحبية، أو التي تستخدم أجهزة قياس ذات سعة حرارة منخفضة، أو تستخدم أجهزة قياس مكملة للضغط الزرق، أو تستخدم فيها أجهزة لقياسات ذات سعة الأشعة دون تردد.

نقل البيانات والأمن والخصوصية

(ب) أن الرصد الفعلي يتطلب نقل البيانات في الوقت المناسب، ولكن القابلات للزراعة محدودة، ومعظم الأجهزة تستخدم BLE للتواصل مع هاتف ذكي، وينقل لاحقاً البيانات إلى السحابة، غير أن نطاق BLE وبونتاج محدودان، أما بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب تغطية واسعة النطاق (مثلاً، العمال الخارجيين في المناطق النائية)، فإن البيانات المتعلقة بالتشغيل غير المباشر (LTE-M، NB-IoT) أو نماذج التلقي المفضلة.

الدوام، والتقدير، ومقبولية المستعملين

ويجب أن تتحلى الأجهزة بالبستات والأمطار والغبار والأثر ودرجات الحرارة دون أداء مهين، وينبغي أن تكون تقديرات الحماية النافذة على الأقل من طراز IP67 للاستخدام في الهواء الطلق، ويجب أن تكون المواد غير مطاقة ومرنة بحيث تكون متوافقة مع الأشعة الجسدية، أو النسيجات القابلة للتنفس، أو البرمجيات المرنة.

التكنولوجيات الرئيسية التي تتيح إمكانية الحصول على أجهزة الاستشعار البيئية القابلة للزراعة

وترتكز قدرات المراقبين البيئيين المعاصرين على عدة تكنولوجيات أساسية، ونورد أدناه تفاصيل أهم طرائق الاستشعار ودعم الإلكترونيات.

Miniaturized Gas Sensors

(ب) أجهزة الاستشعار المغناطيسية [الخاصة بالغاز الخافت] التي تستخدم في أجهزة الاستشعار ذات القدرة الفلورية والكهربية العالية، والتي تقاس بالتغيرات الحالية عند حدوث تفاعل بين الغازات الكهربية والكهربية؛ [(FLT:2])

درجة الحرارة ودرجة الصدر

كما أن قياس درجة الحرارة والرطوبة الحقيقي يتطلب وضعاً دقيقاً ومعايرة، كما أن أجهزة الاستشعار الرقمية المتكاملة مثل سلسلة أجهزة الاستشعار عن بعد أو سلسلة أدوات تكساس HDC تجمع بين درجة الحرارة والاستشعار الرطوبة على رقاقة واحدة مع وصلات بينية من طراز I2C أو SSPI، وتحصل هذه أجهزة الاستشعار على درجة حرارة عالية من الحرارة و2 في المائة من مقياس الحرارة عند استهلاك الميكروبات.

جهاز الاستشعار الجزئي

وعلى الرغم من أن المواد غير القابلة للاستنشاق (PM2.5 و PM10) هي من أكثر الملوثات تضرراً، فإن أجهزة الاستشعار القابلة للاشتعال تستخدم عادة أجهزة الرش الضوئي: وهي عبارة عن أجهزة لاصقية لاسدرية، وتضع أجهزة محركاً للصور الضوئية كثافة مبعثرة، وتحتفظ نواتج الأشعة المجسّدة أو التركيزات الجماعية، وتشمل هذه نماذج لضوء الفول السوداني (PMS5003) وHwell.

وسائل الاتصال اللاسلكية

(ب) بالنسبة للبيانات الحالية، يجب أن تنقل الأجهزة القابلة للارتداء البيانات دون تردد، ويعتمد اختيار البروتوكول على النطاق، ومعدل البيانات، وميزانية الطاقة، والهياكل الأساسية للشبكة.

متحكمون في المشاريع الصغيرة ذات الطاقة المنخفضة وتجهيزات الطاقة

كما أن هناك خلايا مصغرة ذات قدرة منخفضة (مثلاً، أو أرمان كورتكس - م4 أو M7, ESP32 أو RISC-V) تنسق بيانات أجهزة الاستشعار وتجهيزها والاتصال، وتُعرض وحدات خفض متوسط معدل النوم في الهواء على أجهزة متعددة الترددات (MCUs) وتُعدّد نطاقات الطاقة الكهربائية المتعددة الأجهزة لتتعلم الآلات (مثلاً، أجهزة الكشف الفوري عن الأشعة الليفيت)

المناطق الفرعية المرنة والضعيفة

ولكفالة الارتياح والقابلية للتطابق، يُختلق الآن العديد من أجهزة الاستشعار البيئية على مواضع فرعية مرنة مثل أجهزة التكرير أو النسيج أو الخيوط المشابهة للنسيج، وتسمح هذه الأجهزة الفرعية بالربط بين الأجهزة الإلكترونية والتحول مع حركة العصي، وعلى سبيل المثال، يمكن للصمغ أن يُضم جهازاً ثنائياً متعدد الفول السوداني ومحتوياً على أجهزة مضغوطة للضغط.

التطبيقات والنشرات الحقيقية في العالم

ويجري بالفعل نشر مراقبين بيئيين مشهودين في سياقات متنوعة، ونبرز عددا من التطبيقات البارزة.

أجهزة تكييف الهواء الشخصية

وتحتاج منتجات مثل Plume Labs Flow و]Airbeam إلى أن يقطع المستخدمون جهازاً صغيراً على حقيبتهم أو حزامهم ويتعقبون جهاز PM2.5 وNO2 وVOCs ودرجة الحرارة والرطوبة، وتحتوي هذه الأجهزة على جهاز متزامن يستعمل توصيات بشأن التلوث.

متغيرات السلامة في أماكن العمل في المنشآت الصناعية

وفي مجالات التعدين والمصانع الكيميائية ومواقع البناء، فإن المضارب مثل Blackline Safety G7c أو هي شركة Hneywell BW Ultra تجمع بين الكشف عن الغازات (لأجهزة الإنذار المتطورة، وثاني أكسيد الكربون، وحاملة النيتروز) مع تعقب الموقع وكشفه.

رصد جزيرة الهات الحضرية بعلوم المواطن

وتستخدم هذه المشاريع العلمية المجمدة مثل Heat Watch ] الحملات التي تستخدم درجات الحرارة والرطوبة القابلة للارتطام (مثلاً، شبه القاحلة) التي تُحمل على الدراجات، أو المسافرين، أو الملابس التي يستعملها المتطوعون لرسم خرائط لجزر الحرارة الحضرية، وتسجل أجهزة الاستشعار المنخفضة التكلفة درجة الحرارة كل دقيقة، مع تجميع البيانات لاحقاً لإنتاج خرائط حرارية عالية الاستبان.

البحوث المتعلقة بالرصد الصحي والعرض

وبالإضافة إلى ذلك، فإن مفهوم " الاكتشاف " - مجموع التعرض البيئي على مدى الحياة يجري دراسته باستخدام أجهزة استشعار قابلة للارتداء مقترنة بالمقاييس الحيوية - يُحدد الباحثون في مؤسسات مثل [FLch:0] جامعة كاليفورنيا، وBerkeley، وقد طوروا معصماً قابلاً للارتطام، وقياسات التعرض الشخصي لمثبطات اللهب، ومبيدات الآفات، وأجهزة التلوث المميتة.

الاتجاهات والأثر في المستقبل

وسيكون الجيل القادم من المراقبين البيئيين ذوي الارتداد أكثر حساسية وتحديدا واستقلالية ومتكاملة، وتعود التطورات في عدة مجالات بالتعجيل بالتبني وتعميق الأثر.

علم النانو ومواد الاستشعار المتقدمة

وبالإضافة إلى ذلك، يجري استكشاف الدهون المعدني الانتقالي، والبوليمرات السلوكية للاستشعار بالغاز عند درجة حرارة الغرفة، وإزالة سخانات أجهزة الاستشعار التي تستخدم أجهزة التزود بالكهرباء، وتوفر المواد ذات البنية الأساسية مناطق سطحية ضخمة لاستيعاب الغاز، وتعزز الحساسية إلى مستويات الغليون من الحيز، وعلى سبيل المثال، فإن أجهزة الاستشعار ذاتي يمكن أن تُحدث في وقت واحد من الزمن المركب على أساس مركب ثنائي الفينيل متعدد الكلور

مخابرات ثبوتية وتحليلات في ديفيس

ويمكن لنماذج التعلم المحتوية على أجهزة الحافة أن تحسن بشكل كبير دقة وفائدة أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء. كما أن الخوارزميات المعايرة التي تتكيف مع الزمن مع الظروف العائمة والبيئية تقلل من الحاجة إلى إعادة التأهيل اليدوي.

Energy Harvesting and Extended Battery Life

كما أن تجميع الطاقة من حرارة الجسم (الكهرباء الحرارية)، والطاقة الشمسية (الداخلية/الخارجية)، وأجهزة الاستشعار الحركية (الحركة) يمكن أن يدوما استخدام الطاقة المنخفضة العينات، وقد أظهرت نماذج البحوث وجودة الهواء القابلة للارتداء التي تعمل إلى أجل غير مسمى في البيئات الخارجية باستخدام لوحة شمسية صغيرة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن المكثفات تحل محل البطاريات في بعض التطبيقات التي تتيح زيادة سرعة الإنتاج وتشمل الحياة في دورة الإنتاج.

التكامل مع الملابس الذكية والعقارات المحظورة

وتنتقل أجهزة الاستشعار البيئية إلى ما هو أبعد من المعصمات الصلبة إلى ملابس ذكية، وتضع الشركات أجهزة استشعار في الخوذ، وبقايا الأمان، وعسر الحذاء، مثلا، فإن Luminorene ] القميص الذكي يدمج أجهزة استشعار نوعية الهواء ونظارات التلقيم التي تتغير عندما تكون مستويات التلوث خطرة.

الأثر على السياسات والصحة العامة

ويمكن أن يؤدي اعتماد مرصدات بيئية قابلة للذوبان إلى إعادة تشكيل السياسة البيئية، ويمكن أن توفر البيانات المجمعة والمغفلة عن آلاف المواد القابلة للزراعة، أجهزة تنظيم ذات خرائط تعرض عالية الاستبانة، وتكشف عن نقاط ساخنة تُغنى عنها مراكز رصد متفرقة، ويمكن أن تدعم هذه البيانات إجراءات العدالة البيئية، وتُبلغ قرارات تقسيم المناطق، وتُبرر الاستثمارات في البنية التحتية الخضراء.

وفي الختام، تتطلب الأجهزة الهندسية القابلة للارتداء في مجال الرصد البيئي في الوقت الحقيقي تحقيق التوازن بين أداء أجهزة الاستشعار، وكفاءة الطاقة، والاتصالات اللاسلكية، والقدرة على الاستمرار، وخبرة المستعملين، ومع تقدم علوم المواد، وتطورات جمع الطاقة، ستصبح هذه الأجهزة أكثر دقة واستقلالية، وتدمج في الحياة اليومية، ونتيجة لذلك، سيكون من المستقبل الذي يمكن فيه لكل فرد أن يحمل معملاً بيئياً شخصياً على جسده، ويكتسب بصيرة عملية تحسن الصحة والسلامة والقدرة البيئية.