وقد أصبحت القياسات التي تستخدم سلاسل التعدين مكونات لا غنى عنها في النظم الحديثة للميكانيكيات الدقيقة، مما أتاح قياسا دقيقا للتشوهات الميكانيكية عبر طائفة واسعة من التطبيقات الصناعية والعلمية، حيث تتطور تكنولوجيا نظام الرصد البيئي نحو آثار أقل وأداء أعلى، يجب أن تتبع القياسات المسائية، وتدفع التطورات الأخيرة في علوم المواد والتكرير المصغر، واتجاهات تكامل النظم إلى الحد الأدنى من ما يمكن لهذه الأجهزة الناشئة.

دال - التقدم المحرز في المواد المتعلقة بغازات مصغرة

وتعتمد مقاييس الإجهاد التقليدية على مواد الرغاوي المعدنية أو المواد شبه الموصلية، ولكن الدفع نحو الأبعاد النانوية والحساسية الشديدة قد أدى إلى إجراء بحوث في مواد جديدة، وهذه المواد الجديدة لا تتقلص البصمة المستشعرة فحسب بل تعزز أيضاً عامل القياس والمرونة والدوامة واستقرار درجة الحرارة.

Graphene and Carbon Nanotubes

(العملية) (العملية) (العملية)

مميتان من طراز Dichalcogenides

وفيما عدا الأنسب الكربونية، فإن مواد ثنائية الأبعاد مثل فولفيد المولىبينوم (Molybdenum disulfide) ورشة التنغستن (WSe2) تكتسب الاهتمام، وهذه المواد شبه المحتوية على ثنائي الأبعاد تنطوي على آثار فائقة ويمكن أن تدمج مباشرة في تدفقات نسيج المقياس الاستهلاكي، حيث أن سميكها الذري يتيح الحد الأدنى من الميزات التي يمكن أن تجسدها.

المواد البوليمرية والمركبة

وفيما يتعلق بالطلبات التي تتطلب التمدد والقابلية للاستمرار، يجري أيضاً تطوير مركب متعدد البوليمرات المحتوي على مواد مسببة للاختراق، حيث تُدرج مواد نانوبائية مُعدّلة ذاتية قابلة للاسترداد (مثلاً، النانويات الفضية، والسود الكربوني) في مصفوفة مرنة للبوليمرات، يمكن للمهندسين أن يُصِّدِّدَوا خصائص الحساسية.

Tin-Film Metal Alloys

وفي حين أن المواد الجديدة تدفع الابتكار، فإن التحسينات في المحاور المعدنية ذات الرشاقة التقليدية لا تزال هامة، فالأفلام المُطلية من النيتروجين والنيكل - الكروم، والسبائك التي تستخدم البلاتينيوم - القائمة على التوابل، تُستخدم على النحو الأمثل من خلال مراقبة دقيقة لبارامترات الترسبات وأجهزة التجهيز بعد التجهيز، والهدف هو تحقيق استقرار أعلى في درجة الحرارة، وتدني الهيستيريز في المايكروسات، وهذه تعمل على ضمان بقاء العديد من أجهزة قياس الضغط على العمل.

تقنيات التكاثر الابتكارية

ويقتضي نسيج مقاييس سلاسل صغيرة الحجم لأجهزة الرصد المتعددة الأطراف الدقة القصوى على مقياس الميكرومتر ومقياسات المقاييس الفرعية، كما أن التقنيات الجديدة والمنقحة تتيح تصميمات قياسية كانت مستحيلة في السابق، مع تحسين القدرة على تكرارها وخفض تكاليف الإنتاج.

أجهزة قياس لازر

وقد أصبح جهاز قياس الليزر المميت فوق البلازما أداة قوية لتنمط مقياس السلالة مباشرة على المكثفات الفرعية التابعة للجهاز الطبي المتعدد الأطراف، حيث يمكن للليزر الثاني والثاني أن يرتقي المواد التي تلحق أضرارا حرارية طفيفة، مما يتيح قياس حجم المعالم إلى بضعة ميكرومات، وهذه العملية تتسم بالمرونة الشديدة، مما يتيح سرعة وضع النماذج الدقيقة المناسبة للضوضاء على خطوط قياس الأشعة المتناظرية.

Deposition of Atomic Layer

وتوفر مادة الترسيب الفيزيائي (ALD) مراقبة على نطاق الذري لسمك الفلم وتكوينه، وبالنسبة للمقاسات المضللة، تستخدم الرابطة في إيداع الأوكسيدات والفلزات السلوكية فوق البخارية في هياكل عالية الأطياف، وتتأكد من أن الخنادق العميقة والجدارات الجانبية تتلقى طبقة استشعارية موحدة.

3D Printing and Additive Manufacturing

فالصناعة الاصطناعية، بما في ذلك كتابة الحبر المباشر وطباعة الطائرات المروحية، تبث ثورة في مقياس الإجهاد، ويمكن طباعة الأوكسجينات السائلة التي تحتوي على الجسيمات النانوية الفضية أو الطحالب الغرافينية على مبانٍ مرنة وشديدة، مما يخلق أنماطا قياسية مصممة حسب الطلب في خطوة واحدة، وهذا النهج فعال من حيث التكلفة بالنسبة للإنتاج المنخفض الحجم ويتيح للمكونات التصويرية التي يمكن أن تحقق نتائجها.

الترسبات الفوتولية المتقدمة والتصوير

وعلى الرغم من ارتفاع الأساليب البديلة، لا يزال التصوير الضوئي محورياً في اختلاقات نظام الرصد المتعدد الأطراف ذات الحجم الكبير، ويجري استكشاف التلويث العميق والأشعة فوق البنفسجية الشديدة لقياس هياكل الاستحواذ مع حلول دون 100 نم، مع اقترانه بأجهزة مسح متطورة للجفاف (مثلاً، قياسات الارتداد العميقة، وما إلى ذلك)، وهذه التقنيات تتيح تشديد أجهزة القياس المكاني.

الطرائق ذاتية التوجيه والنموذجية

فتقنيات التأشير الذاتي الناشئة تحفز قوات الكبسولات أو الحقول المغناطيسية على ترتيب عناصر الاستشعار المتقطعة في أنماط محددة مسبقاً، مثلاً، يمكن تشكيل أفلام متوائمة للCNT باستخدام الديليكتروفوري أو الأشعة السينية ذاتية الصبغة، وفي حين لا تُعمم بعد، فإن هذه الأساليب تعد بتقليل تعقيد التخصيب وتكلفته، ولا سيما عند التوسع في صفائف واسعة النطاق من أجهزة الاستشعار الدقيقة.

التكامل مع أجهزة القياس المتعددة المؤشرات

وتتوقف فعالية قياس الضغط الصغير اعتماداً كبيراً على كيفية إدماجه في جهاز الرصد المتعدد الأطراف، إذ يقل التكامل دون هوادة إلى أدنى حد الآثار الطفيلية، ويحسن من درجة وضوح الإشارات، ويقلل من الحجم الإجمالي، وتبرز الاتجاهات الحديثة التكاثر المشترك، والوصل اللاسلكي، والتكامل دون الاستراتيجي المرن.

MEMSon —Chip Co —Fabrication

فبدلاً من تركيب رقائق مقياس منفصلة على هياكل نظام الرصد المتعدد الأطراف، تدمج النهج الحديثة القياس مباشرة أثناء عملية اختلاق نظام الرصد المتعدد الأطراف، مثلاً يمكن إيداع مقياس للإجهاد كمقاومة للسيليكون في إطار عملية الاختناق في نفس سلسلة العمليات التي تحدد الديبابرام، ويلغي هذا الكم المركب من التواؤم مع المعادن ويقلل من ضغط عمليات الارتباط الإلكترونية.

قاذفات سلكية ومربودية

والاستشعار اللاسلكي بالغ الأهمية للآلات الدوارة والأجهزة المزروعة والهيكلات التي يصعب الوصول إليها، وتستخدم القياسات اللاسلكية اللاسلكية المتقطعة التقلبات أو الموجات الصوتية السطحية لتوليد أجهزة الاستشعار والقراءة بدون البطاريات، وقد ثبتت تواتر التصاميم المصغرة التي تستخدمها أجهزة القياس اللاسلكية الصغيرة، مما يؤدي إلى تغيير الحساسية العالية وقراءة المسافات الطويلة.

المضبوطات الفرعية المرنة والمستقرة

ولا يزال السليكون المتصدع مهيمناً على نظام الرصد المتعدد الأطراف، ولكن المضاربة الفرعية المرنة مثل البوليميد والبلور السائل تتيح تطبيقات جديدة مثل رقائق الجلد القابلة للتطابق والآليات، وتحتاج مقاييس الترسبات على مضبوطات مرنة إلى إدارة دقيقة للمبيدات الميكانيكية لمنع التسمم، وتسمح تقنيات الطباعة المتحركة بإستخدام صفائف قياسية عالية الصنع على مضبوطة.

تعبئة التحديات والحلول

(ب) أن تكون أجهزة التنقيب عن المعادن مطالب شديدة على التغليف، ويجب حماية مقاييس السلاسل من الرطوبة والغبار والصدمة الميكانيكية دون المساس بحساسيتها، فالربط الحرفي، مثل ربط الزجاج بالسيليكون أو ربط الدمج المباشر، يخلق ختمامس مغنطيسي يحافظ على استقرار البصمات المرنة، أو طبقة الفول المشبع بالفلور أو المكعب.

التطبيقات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

ويوسع تقارب المواد المتقدمة والتلفيق والتكامل نطاق مقاييس السلالة الصغيرة إلى مجالات تطبيق جديدة، وفي الوقت نفسه، تشير مفاهيم جديدة مثل مواد التعافي الذاتي والمحللين الذين يقودهم المعهد إلى مستقبل يصبح فيه المستشعرات الضالة أذكى وأكثر استقلالية وأكثر دقة.

الرعاية الطبية الحيوية والصحية

كما أن مقاييس الضغط على العجلات الصغيرة تؤدي دوراً أساسياً في أجهزة قياس القفازات، ومستشعرات الضغط التي تزرع، ومراقبات صحية قابلة للارتداء، مثلاً، يمكن أن ترسم خرائط الأشعة تحتية على المضاربة المرنة توزيعاً للضغط على الجولات الاصطناعية، مما يساعد على منع انهيار الجلد، وفي جراحة الأعصاب، فإن مقاييس الضغط غير الدقيقة على أجهزة القياس التي تستخدم في الاختراق النسيجات الكهربية.

الأجهزة الآلية والاستشعارات الهباتية

وبالنسبة للآليات التعاونية والروبوت الجراحية، تتطلب التغذية المرتدة من سلسلة من القياسات المضللة ذات حل مكاني رفيع، وتستخدم أجهزة الاستشعار التي تعمل بالقطع بواسطة أجهزة القياس المتعددة الأطراف مقياساً للعجلات المزروعة في الجرعات الفلزية لكشف القوات العادية والغازية، وتشمل الاتجاهات الناشئة أجهزة الاستشعار العصبية التي تجمع بين أجهزة قياس الضغط وشبكات الدفع الاصطناعية السائلة للكشف عن الزلازل.

رصد الفضاء الجوي والصحة الهيكلية

وتحتاج هياكل الفضاء الجوي إلى أجهزة استشعار للوزن الخفيف، وأجهزة استشعار عالية الموثوقية، ويمكن أن تُدرج أجهزة القياس المتعددة التي تعمل بالأشعة فوق البنفسجية على متن طائرات صغيرة مجهزة بأجهزة الاستشعار بالكميكروم (50 ميكروم) في المواد المركبة أثناء الاستيعاب، مما يتيح رصد الإجهاد في الموقع أثناء الطيران، ويقلل الحجم الصغير لهذه المقايس من الاضطرابات التي تصيب الهيكل المضيف.

الرصد البيئي والصناعي

وفي بيئات قاسية مثل آبار النفط أو المفاعلات النووية، يجب أن تصمد أجهزة قياس الضغط المصغرة على درجات الحرارة القصوى والضغوط والإشعاع.كما أن مقياس الأشعة السيليكونية المستخدم في أجهزة القياس غير المصنّفة باستخدام أجهزة قياس الأشعة الليزرية، قد أثبت تشغيلها فوق 500 درجة مئوية.

خدمات الصحة الذاتية والاستشعارات المتعددة الوظائف

وقد تتضمن مقاييس الإجهاد في المستقبل قدرات على التعافي الذاتي، وقد يدمج الباحثون الكبائط المجهرية المحتوية على عوامل معالجة داخل نطاق نظام القياس الفرعي؛ وعندما تمزق استمارات الشقوق، وتمزق الكبسولات، وترمي إلى موصل سائل يعيد مسارات كهربائية، كما أن أجهزة الاستشعار المتعددة الوظائف التي تقيس المضيق ودرجة الحرارة والرطوبة في نفس الوقت هي مواد أخرى ذاتية.

تحليل البيانات والإعالة الافتراضية

ومع أن مقاييس ضغط العجلات تولد كميات كبيرة من البيانات، يجري استخدام الحوسبة الحافة والتعلم الآلي لاستخراج أفكار قابلة للتنفيذ، فعلى سبيل المثال، يمكن لشبكة قياسية متعددة المؤشرات على نصل تربين الرياح أن تغذي نموذجا للتعلم العميق يتوقّع بقاء حياة مفيدة والاحتفاظ بجداول قبل حدوث الاخفاق، فالشبكات العصبية التي تنفذ في منطق المنظمة البحرية الدولية لا يمكن أن تجهز سوى إشارات الإجهاد في الوقت الحقيقي " .

خاتمة

إن مجال قياسات الإجهاد المصغرة للنظم المتعددة الأطراف يمضي قدما بسرعة، مدفوعا بالحاجة إلى أجهزة استشعار أصغر وأكثر حساسية وأكثر قوة عبر طائفة واسعة من التطبيقات، وتظل الابتكارات في المواد - من الغرافيين ونوابيب الكربون إلى موصلين نصفيين وبوليمرات ذاتية الدفع - تؤدي إلى توسيع نطاق الأداء، كما أن تقنيات التكاثر مثل أجهزة القياس الدقيقة، وأجهزة القياس غير الدقيقة، وأجهزة القياس غير الفعالة.