تصميم مختبر للبحوث والابتكارات الهندسية المتعددة التخصصات

إن التحديات الهندسية الحديثة - من القدرة على التكيف مع المناخ إلى الحلول المتكاملة التي تتطلب الطب الشخصي - والتي تتجاوز الحدود التأديبية التقليدية - يجب أن يجمع بين البنية التحتية المادية، والوصلية الرقمية، والتصميم القائم على أساس البشر، بما يتيح التعاون بين مهندسي التصميم الميكانيكي والكهربائي والكيميائي والمدني والطب الأحيائي والبرمجيات، وأن يكون إنشاء مثل هذا الحيز يتجاوز تركيب المعدات؛ ويقتضي رؤية استراتيجية تُعزز الاستدامة،

لماذا مسائل تصميم المختبرات المتعددة التخصصات

وكثيراً ما تعزل مختبرات المنهج الواحد التقليدية الباحثين، وتحد من استنباط الأفكار، وتكسر المختبرات المتعددة التخصصات هذه الحروف عن طريق إنشاء أماكن مشتركة يمكن فيها لفرق متنوعة أن تشارك في مواقعها وتبادل الخبرات ومعالجة المشاكل المعقدة، وتبين البحوث أن التعاون [(FLT:0]) يؤدي إلى الابتكار ، وأن المؤسسات التي لديها مرافق مختبرية مرنة تجتذب أيضاً شراكات في المستقبل تتسم بالمواهب وصناعة.

The best interdisciplinary research happen when the built environment removes friction between disciplines - when aميكانيكي يمكن أن يمشي خطوتين لاستشارة عالم مواد، ومهندس حاسوب يمكن أن يدير محاكاة بجوار كيميائي من مقاعد المحكمة] - National Academy of Engineering report on emerging trends]

مبادئ التصميم الأساسية

كل مختبر ناجح متعدد التخصصات يعتمد على أساس خمسة مبادئ تصميم مترابطة، ويجب النظر في كل مبدأ من المبادئ منذ بداية المشروع وتوازنه مع الميزانية، وقيود الموقع، والثقافة المؤسسية.

1- المرونة والقابلية للاعتماد

وتتطور اتجاهات البحث بسرعة؛ ويمكن أن يكون المختبر الذي بنيت له مشاريع اليوم قد عفا عليه الزمن في خمس سنوات، ويمكن تصميمه من أجل المرونة باستخدام الأثاث الموح َّد، والتجزئة القابلة للتحرك، وناقلات الخدمات العامة التي تسمح بإعادة تشكيل أجهزة الدفع والمعدات دون أعمال التشييد الرئيسية، كما يمكن أن تعتبر المرافق القائمة على التعبئة واللعب )الغاز، والبيانات، والطاقة( على شبكات السقف أو أعمدة الطوابق الأرضية التي تسمح لأفرقة بإعادة ترتيب مختبرات، والمختبرات المصغرة.

2- المناطق التعاونية والفضاء المشترك

وكثيرا ما تبعث اللقاءات الدارجة بأفكار منافذ عنيفة، وتخصيص 20 إلى 30 في المائة من مجموع مساحة المختبرات للتعاون غير الرسمي: غرف الاستراحة مع الجدران المربوطة، والأماكن التي بها لوحات بيانات، و " مناطق الاصطدام " مع قاعات الجلوس المشتركة، وغرف الأجهزة المشتركة، وتسمح أماكن التعاون الرسمي مثل قاعات المشاريع بالتداول بالفيديو، والمجالس الذكية للشركاء عن بعد بالمشاركة إلى أقصى حد.

3 - المعدات المتقدمة والتوثيق

(ب) مرافق تصميم أساسية للمعدات التحليلية (الميكروفونات الإلكترونية، والمعدلات الحرارية، والمطيافات الجماعية) مع العزلة الديموغرافية، والتردد العالي التخصصي، والتغذية الكهربائية المخصصة، ووضع هذه الوصلات في المواقع المركزية مع ضوابط واضحة للوصول وممرات خدمة الصيانة، وتشمل أيضا صانعي البطاقات التي تحتوي على 3D طابعات، وأجهزة إزالة الليزر، ومطاحنات المركبات التي يمكن الوصول إليها في جميع الإدارات الهندسية)

4 - السلامة والصحة البشرية

ويجب أن تشمل بروتوكولات الأمان، مع تعدد التخصصات في مكان واحد، المخاطر الكيميائية والبيولوجية والميكانيكية والكهربائية، وأن تصمم أغطية الصمامات ذات الحجم الجوي المتغير للحفاظ على الطاقة، وتقيم غرف تخزين كيميائية مزودة بأجهزة موزعة ومهوية، وتستخدم علامات واضحة ومناطق مجهزة باللون لمستويات مختلفة من المخاطر، وتدمج في ذلك أجهزة الاستحمام في حالات الطوارئ، ومحطات الأشعة، ونظم إطفاء الحرائق التي تستوفي قواعد الوكالة الوطنية.

5 - الاستدامة والكفاءة في استخدام الموارد

(ب) تستهلك المختبرات عادةً ما يتراوح بين 5 و10 أضعاف الطاقة لكل قدم مربع من الأماكن المخصصة للمكاتب، وتدمج التصميم المستدام من البداية: استخدام المادة HVAC ذات الكفاءة العالية مع استعادة الحرارة، والإضاءة باستخدام أجهزة الاستشعار عن بُعد، والسباكة المنخفضة التدفق، وتُحدد مواد البناء والأثاث القابلة لإعادة التدوير، وتُنظر في التوليد في الموقع (العزلة الحرارية الأرضية) وأسطح الخضراء لإدارة مياه العواصف.

الهياكل الأساسية والتكامل التكنولوجي

HVAC and Environmental Control

وتحتاج المختبرات المتعددة التخصصات إلى نظم ثابتة للتردد العالي جداً يمكن أن تعالج متطلبات متعددة من درجات الحرارة والرطوبة والتغيير الجوي في وقت واحد، وتستخدم نظاماً متعدد العناصر يتيح للمختبرات الاتصال في ظروف محددة دون التأثير على الأماكن المتاخمة، وتشمل المناطق التي تستخدم الكثافة الحاسوبية التبريد التكميلي (الشعاعات المطلية، والمبردات ذات الركازات) ورصد نوعية الهواء مع أجهزة الاستشعار ثاني أكسيد الكربون من أجل تحقيق الحد الأمثل من الامتصاص في الهواء.

الطاقة والبيانات والشبكة

كما أن البحث الحديث هو بمثابة كثافة البيانات، حيث أن الخطة التي تغذي الطاقة الزائدة عن الحاجة مع دعم النظام العالمي الموحد لتجهيز المعدات الحساسة والحساب، وترسيخ موانئ البيانات العالية الكثافة (البصرية الحرة، الكاتا) في كل مقعد، وتشمل الميدز اللاسلكية للأجهزة المحمولة، كما أن وجود غرفة مخصصة للحواسيب بالقرب من قاع المختبرات يقلل من درجة الحماسة في عمليات المحاكاة وعبء العمل في مجال المعلومات الإدارية، كما توفر الكابلات المرنة في المستقبل.

إدارة التوائم الرقمية والمزارع الذكية

وتستخدم المختبرات الناشئة أجهزة استشعار للوقود لرصد استخدام المعدات، والظروف البيئية، والامتثال للأمان، كما تستخدم أجهزة قياس رقمية متزامنة من التكنولوجيا - وهي نسخة افتراضية في الوقت الحقيقي من إعادة تشكيل المختبرات قبل تنفيذها مادياً، وتشمل لوحة مركزية تتتبع استخدام الطاقة، وشغل الغرف، والجدول الزمني للنفقة، وتساعد هذه البيانات مديري المرافق على تحقيق أفضل مستوى للعمليات والحد من النفايات.

استراتيجيات التنفيذ

المرحلة 1: تقييم الاحتياجات وإشراك أصحاب المصلحة

- إنشاء لجنة توجيهية تضم هيئة التدريس من كل تخصص هندسي، وطلاب الدراسات العليا، ومستشاري الصناعة، وموظفي السلامة، وموظفي المرافق، وحمل شارات تصميم لتحديد نقاط الألم في الأماكن الموجودة، والقدرات المرغوبة، ومعدات السلوك الواجب.

المرحلة 2: تطوير المفاهيم

(ج) إشراك شركة هندسية ذات خبرة في تصميم المختبرات - وضع خيارات للتصميم والتقسيم والبنى التحتية للمرافق - استخدام نماذج 3D لتصوير تدفقات المرور، وخطوط البصر، والتنسيب بالمعدات، وترتيبها مع أصحاب المصلحة لتنقيح الخطة، والقيام خلال هذه المرحلة أيضاً بصياغة خطة عمليات تشمل سياسات الوصول، ورسوم المعدات المشتركة، ومتطلبات التدريب على السلامة.

المرحلة 3: التصميم التفصيلي والميزانية

وضع الصيغة النهائية للخطط المعمارية والهيكلية والخطط البيئية المتعددة الأطراف (الميكانيكية والكهربائية والسباكة) - تحديد جميع الأعمال المعملية، وأغطية الصمامات، والطابق المتخصص (مقاومة كيميائية) - وضع تقديرات للتكاليف وخرائط مصادر التمويل، والثروات، وصناديق رأس المال المؤسسي، والشراكات بين القطاعين العام والخاص، ووضع جدول زمني للتنفيذ على مراحل إذا ما قيدت الميزانية.

المرحلة 4: التشييد والتكليف

:: القيام، أثناء البناء، بتنسيق وثيق بين المتعاقد ومجموعة المستخدمين، بتنفيذ عملية صارمة لتغيير النظام، والقيام بعد البناء، بتفويض كل نظام: التدفق الجوي الاختباري، وأجهزة الاستشعار ذات العيار، والتحقق من الحمولات الكهربائية، وإدارة عمليات التدريب في حالات الطوارئ، وتوفير التدريب العملي لجميع المستعملين على عمليات السلامة والمعدات قبل الانتقال إلى الداخل.

المرحلة 5: التقييم والتحسين المستمر

وبعد سنة من الانفتاح، يجري تقييم لما بعد شغل الوظائف باستخدام الدراسات الاستقصائية، وبيانات الطاقة، ومقاييس نواتج البحوث، وتحديد المجالات التي يتعين تحسينها، أو التي لا تستخدم فيها مناطق التعاون، أو تحتاج بعض المقاعد إلى مزيد من من من منافذ الطاقة، واستخدام هذه التغذية المرتدة لتعديل المخططات والبروتوكولات، ووضع خطة لدورة تجديد مدتها خمس سنوات من الأثاث والتكنولوجيا النموذجيين.

دراسات الحالات وأفضل الممارسات

وقد نجحت عدة مؤسسات في بناء مختبرات هندسية متعددة التخصصات، منها مثلاً مختبرات ستانفورد () (Building 01) لأغراض الهندسة البيولوجية وعلوم المواد، تستخدم حزاماً من أحشاء المختبرات المحمولة التي يمكن إعادة تشكيلها في ساعات.() وتدمج مختبرات الرصد والتقييم () مع هياكل أساسية متينة في مجال التدريب.

الاتجاهات المستقبلية في تصميم المختبرات

وفي المستقبل، ستزداد المختبرات هجينة وتختلط بالجرّب البدني والافتراضي، وستؤدي الأدوات التي تخضع للسيطرة عن بعد، وتحليل البيانات القائمة على الغيوم، وزيادة واقع التدريب على المعدات إلى الحد من الحاجة إلى وجودها في الموقع، وسيتولى التلقّي والآلات مهام التشغيل الآلي، وتحرير الباحثين للعمل الإبداعي، وستشدّد معايير الاستدامة، مع تحول مختبرات الطاقة الصافية إلى القاعدة.

خاتمة

إن تصميم مختبر للبحوث الهندسية المتعددة التخصصات هو مسعى معقد ومفيد، إذ أن من خلال التحلي بالمرونة، وتعزيز التعاون، وتجهيز الأدوات المتقدمة، وتحديد أولويات السلامة، والالتزام بالاستدامة، يمكن للمؤسسات أن تهيئ بيئات تعجل بالاكتشاف وتدريب الجيل القادم من المهندسين، والمفتاح هو إشراك جميع أصحاب المصلحة من البداية، وتبقى مفتوحة للتغيير، وبناء مرفق يمكن أن يتطور بسرعة أكبر قدر من البحوث نفسها.