أثر الطباعة الرابعة بشأن تطوير الاستجابة عناصر التصميم الداخلي

فالطباعة 4D تمثل تحولاً في النموذج في التصنيع المضاف، وهو ما يُحقن البعد الرابع للوقت في أجسام ثابتة ثلاثية الأبعاد، بينما يمكن للطباعة 3D أن تُنشئ طبقة ثابتة من حيث الشكل حسب الطبقات، وبرامج الطباعة 4D تحولاً في المستقبل مباشرة إلى المادة نفسها، وتُصمم هذه الأجسام المطبوعة بحيث تستجيب بصورة مستقلة للتطبيقات الخارجية المعقدة مثل الحرارة، والرطوبة، والضوء، والضغط، والأثاث المفتوح في الميادين.

ما هو الطبع 4D؟

والطباعة 4D هي في جوهرها عملية يغير فيها الجسم المطبعي 3D شكله أو ممتلكاته أو وظيفته بمرور الوقت عندما يتعرض لحافز بيئي محدد سلفاً، وقد تم تعميم هذه المصطلح أولاً بواسطة " ثعبان سكايلار " في مختبر التوحيد الذاتي التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 2013، بخلاف الطباعة التقليدية 3D التي تنتج جزءاً نهائياً غير مقصود، وتخلق مادة " .

How it Works: The Programmable Material

والممكن الرئيسي للطباعة 4D هو استخدام المواد الذكية، المعروفة أيضاً بالمواد المستجيبة للحوافز، وتخضع هذه المواد لتغيير مراقَب في شكل أو حجم أو ممتلكات آلية عند بدء التشغيل، وتشمل المحركات المشتركة ما يلي:

• Hydrogels] - swell or diminish when exposed to water or humidity. They can be used to create self-folding structures.
• Shape memory polymers (SMPs)] - can be deformed and then return to a pre-programmed shape when heated above a transition temperature.
• Thermochromic and photochromic materials] - تغيير اللون استجابة لدرجات الحرارة أو الضوء.
• Piezoelectric materials] - generate electrical charge in response toميكانيكي stress, enablingens and actuation.
• Magnetoresponsive composites] - embedded with magnetic particles that allow them to be actuated by external magnetic fields.

وتشمل عملية الطباعة من نوع 4D طباعة واحدة أو أكثر من هذه المواد الذكية في ترتيب مكاني محدد، وتُعرّف الخصائص الملاحية - السلوك الذي يعتمد على الاتجاه في المادة - عن طريق المسار المطبوع، والمقياس الجيودي للجسم، وعندما يطبق الزناد، فإن الطبقات أو المناطق المختلفة تستجيب بشكل مختلف، مما يتسبب في الانحراف أو التلويث أو الطيف، أو التوسع، وهذا يختلف اختلافا جوهريا عن الروبوتات التقليدية، حيث لا توجد حاجة إلى إحداث تحولات الخارجية أو البطاريات.

العلاقة بتكنولوجيات الطباعة 3D

ويمكن أن تتحقق الطباعة من 4D باستخدام مختلف أساليب الطباعة من 3D، بما في ذلك نماذج الترسبات المصنوعة، ورسم الخرائط، وطباعة البوليجيت، والقطع اللازري الانتقائي، وتملي أنواع المواد الذكية التي يمكن استخدامها، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تقوم إدارة الشؤون المالية بتجهيز الألياف المحتوية على ذاكرة، بينما يطبع جيش تحرير السودان المثالي للأدوات المائية التي يمكن الحصول عليها.

طلبات التصميم الداخلي المستجيب

ولا يزال إدماج الطباعة من نوع 4D في التصميم الداخلي آخذا في الظهور، ولكن العديد من المفاهيم قد برهنت على مستويات نموذجية ومفاهيمية، كما أن إمكانية إنشاء مكونات معمارية ذاتية التكييف بدون آليات معقدة هي إمكانية جذابة للغاية بالنسبة للمساحات السكنية والتجارية والعامة، كما أن هذه المجالات هي مجالات التطبيق الرئيسية.

نظم الجدار الردي وقسم الغرف

ويمكن أن تؤدي هذه اللوحات إلى تغيير شكلها، أو إلى تغيير شكلها، أو إلى إحداث تغير في استخدام مواد التخصيب، أو إلى إحداث تغير في مستوى الطاقة، أو إلى تهوية في غرفة، أو إلى درجة الحرارة، أو إلى تغيير في شكلها.

الأثاث الإيجابي والمفاوضات المكانية

والأثاث الذي يمكن أن يغير شكله لخدمة وظائف متعددة هو صقل مقدس للتصميم المؤثر في الفضاء. ويمكن للطباعة من نوع 4D أن تمكن كرسياً يشق طاولة لا يستخدم فيها، أو صوفاً يمتد إلى سرير بمجرد رفع درجة الحرارة، والمفتاح هو استخدام محار الذاكرة الشكلية أو البوليمرات المدمجة في الإطار أو الترميز.

المنسوجات الذكية والمناوشات الخفيفة

ويمكن أن تطبع اللمسات والارتفاع والسيارات عناصر داخلية يمكن أن تستفيد استفادة كبيرة من الطباعة 4D ويمكن أن تطبع المنسوجات بألياف الذاكرة التي تسبب النسيج في عقد أو توسيعه استجابة لضوء الشمس، مما يؤدي إلى معالجة نافذتي ذاتية، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يغلق ستار التقصي تلقائياً شمس منتصف النهار ويعاد فتحه مع تحركات مقياس الشمس، وكلها لا توجد ألوان.

النور الإيجابي والرؤية

وقد كان الإضاءة دائما عنصرا ديناميا في التصميم الداخلي، ولكن الطباعة من نوع 4D يمكن أن تجعل من المصابيح البدنية نفسها متكيفة، ويمكن أن يؤدي الطول من 4D إلى تغيير شدة أو توجهه استنادا إلى درجة حرارة المصباح أو الضوء المحيطي، وقد تؤدي المواد التصويرية المتطورة المحتوية على لوحات الجدار إلى تظلم أو تخفيف من أجل تكييف نوعية الضوء المشرق.

ذاتياً - الصحة والإنقاذ - السطح

إن تطبيقا أقل إلحاحا ولكن عمليا هو أسطح التلقيح الذاتي، وعلى الرغم من عدم تغيير الشكل الدقيق للمفهوم التقليدي 4D، فإن بعض المواد الذكية يمكن أن تغلق المايكراككات عندما تتعرض للحرارة أو الرطوبة، فبالنسبة للعناصر الداخلية مثل الحواسيب المضادة، أو الطوابق، أو الطلاء، فإن الكميات الدقيقة ذات الطباعة 4D أو شبكات الوعية يمكن أن تطلق عوامل التعافي عند حدوث الضرر.

استحقاقات التصميم الداخلي والهيكل

وتتجاوز مزايا اعتماد الطباعة 4D الرواية وتشمل الفوائد الحقيقية تحسين الاستدامة والكفاءة في الفضاء والتكييف والإمكانيات الابتكارية الجديدة.

كفاءة الطاقة والاستدامة

ويمكن أن تؤدي العناصر المحتوية على 4D المستجيبة إلى خفض استهلاك الطاقة من خلال إدارة الحرارة والضوء والهواء إدارة سلبية، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تؤدي أجهزة التظليل المستجيبة للثديث إلى إعاقة الكسب الحراري في الصيف، والسماح بأشعة الشمس في الشتاء، وتخفيض حمولات البيوت ذات الفلورية العالية، كما يمكن أن تحل محل المواد ذات البصمات المضغوطة العاملة في بعض المناخات، بالإضافة إلى أن تكون المواد الإضافة ذات البصمة التقليدية المضافية ذات البصمة ذات البصمة 4 دال.

التعظيم الفضائي والتعددية الوظائف

وفي البيئات الحضرية الكثيفة التي يكون فيها الفضاء في أقساط، يتيح الطباعة من نوع 4D للمصممين إنشاء أثاث وتقسيمات تخدم استخدامات متعددة، ويمكن أن يتحقق جدار يفتح في طاولة أو مكتب يطير بعيداً ليلاً بتغييرات بسيطة الشكل، فالطبيعة الدينامية لهذه العناصر تشجع على خطط أرضية أكثر كفاءة ويمكن أن تحسن من إمكانية استخدام حيز طوال اليوم دون أن يتطلب تدخلاً من جانب المستعملين أو إعادة تشكيل يدوياً.

ضبط الجمارك والمستعملين

ونظرا لأن كل جسم من المواد ذات ال ٤ دال مصمم وتلفيقا رقميا، يمكن تصميمه حسب الظروف البيئية المحددة والأفضليات الشخصية للمستعمل، ويمكن أيضا لمالك المنزل أن يحدد درجة الحرارة المحددة التي تتحول فيها أعمى النوافذ، أو مستوى الرطوبة الذي يغير فيه مستوى النسيج من نواة الحمّام، ويمكن تعديل بارامترات التصميم - الاستجابة الزمنية، والشكل، وعتبة الحفز - وإعادة طبعها إذا ما كان مرغوبا فيها، مما يتيح مستوى من القدرة على التنبؤ بالتشذيب.

انخفاض التعقيد والحصانة

فالهيكل التقليدي المستجيب غالبا ما يعتمد على أجهزة الاستشعار والمحاضرات والمتحكمين والأسلاك - وهو نظام معقد يتطلب الطاقة والصيانة والبرمجة. ويحل الطباعة من نوع ٤ دال محل كل ذلك بمواد متكاملة واحدة، وهذا يعني عددا أقل من نقاط الفشل، ولا استهلاك الطاقة للضوابط النشطة، والتشغيل الصامت، كما أن تبسيط الاستجابة المادية يجعلها أكثر فعالية من حيث التكلفة على المدى الطويل، ولا سيما بالنسبة للنظم الكبيرة مثل خطوط التصاديميات.

التحديات والحدود

ورغم وعدها، فإن الطباعة من نوع 4D تواجه عدة عقبات يلزم معالجتها قبل أن يصبح الاعتماد الواسع النطاق للتصميم الداخلي ممكنا.

الحدود المادية والقابلية للاستمرار

كما أن مجموعة المواد الذكية المتاحة للطباعة ٤ دال لا تزال ضيقة، فمعظم أجهزة البوليمر والهيدروجيلات أقل استدامة من المواد الهيكلية التقليدية، وقد تتحلل تحت التعرض المطول للضوء فوق البنفسج أو التدوير الحراري أو الإرهاق الميكانيكي، وكثيرا ما تكون الأجسام المطبوعة محدودة القوة، مما يجعلها غير مناسبة لتطبيقات الحمل دون تعزيزات، ويجري البحث في إيجاد مظاهرات مركبة تجمع بين خيارات التكيف الذكية والخصوما منها.

تكاليف الإنتاج والقدرة على التصعيد

ولا تزال عملية الطباعة من نوع 4D مكلفة وبطيئة بالمقارنة مع التصنيع الجماعي التقليدي، إذ إن الطابعات القادرة على معالجة المواد الذكية هي مطبوعات متخصصة وغالبا ما تتطلب تركيبات معدة، كما أن التوسع في إنتاج لوحات كبيرة أو مكونات أثاثية أمر صعب بسبب بناء قيود على الحجم، فالتكييف الشامل، وإن كان من باب الجذب نظريا، لا يكون مجديا اقتصاديا بالنسبة لمعظم العناصر الداخلية، وإلى أن ترتفع سرعة الطباعة وتخفض التكاليف المادية، فإن الطباعة ستستمر في البرمجة من المرجح أن تكون 4 دال مشاريع برمجة.

القابلية للتنبؤ والاعتماد

ومن الصعب برمجة تغيير شكلي يحدث بالضبط على مدى دورات عديدة، إذ أن المحفزات البيئية تتقلب بصورة طبيعية، وقد لا تستجيب المواد بصورة متسقة بسبب تفاوتات في العمر أو الدفعة، وبالنسبة للتطبيقات ذات الأهمية الحيوية بالنسبة للأمان مثل الأثاث أو المخارج الطارئة، فإن موثوقية المكونات ذات الطباع 4D لا تزال في طور التطوير، ويجب على المصممين أن يحسبوا إمكانية حدوث تحول وظيفي جزئي أو غير مقصود.

التكامل مع مدونات البناء والنظم التقليدية

ونادرا ما تتوقّع رموز البناء الحالية المواد الدينامية، إذ أن مقاومة الحرائق والقدرة على الحمل ومتطلبات الوصول تستند إلى التجمعات الثابتة، وقد يثير الجدار الذي يمكن أن يغير شكله أسئلة تنظيمية، علاوة على أن العناصر ذات الطابع 4D يجب أن تتفاعل بسلام مع المكونات التقليدية مثل القنوات الكهربائية والسباكة ونظم HVAC، كما أن الافتقار إلى بيانات الأداء الطويلة الأجل المثبتة يجعل المواد المصممة والمصممة داخليا مترددة على مشاريع التصميم.

التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية

ويتوقف تطور التصميم الداخلي للطباعة 4D على تحقيق إنجازات في علوم المواد وتكنولوجيا التصنيع وأدوات التصميم، ويشير العديد من الاتجاهات إلى مستقبل أكثر تكاملا.

الطباعة المتعددة الوسائط والاستجابات المستجمعة

ومن شأن التقدم في الطابعات المتعددة المواد 3D أن يتيح غرضا واحدا لتضمين عدة مواد ذكية، مما يتيح إحداث تحولات معقدة ومتعددة المراحل، مثلا، قد يتحول الفريق لأول مرة إلى اللون عندما تكون الشمس منخفضة، ثم ينحني إلى خلق ظل يصل إلى ثلجه، ويمكن أن تؤدي التركيبات المادية المتدرجة (المواد ذات الرتب الوظيفية) إلى تغييرات سلسة بدلا من التغييرات المفاجئة، وتحسين أساليب الصنع والموثوقية في الجامعات.

التصميمات الحيوية والتصميمات الحيوية

وتقدم الطبيعة أمثلة وفرة على المواد المستجيبة - فتح مخروط الصنوبر بالرطوبة، وتركات المايكوزا تطوي على اتصال، وأجهزة أشعة الشمس التي تتعقب الشمس. ويمكن للطباعة من نوع 4D أن تخفف هذه الاستراتيجيات البيولوجية إلى الخلق الداخلي الذي يتكيف عضويا.

أدوات التصميم الرقمية والتحكّم

ومن شأن برامج البرمجيات التي تدعم الطباعة 4D أن تتحسن، ويمكن الآن أن تؤدي أدوات التصميم الموازية مثل غراسوبر (للمعاهد الراينو) وخوارزميات التصميم السخية إلى تحفيز السلوك المادي تحت مختلف المحركات، ويمكن للمصممين أن يترددوا عبر آلاف من الملخصات الجيولوجية المحتملة لإيجاد العناصر التي تستجيب للمقصود، كما يجري تطبيق التعلم من الآلات على تحسين التركيبات المادية ومسارات المستخدمة للطباعة.

التكامل مع النظام الإيكولوجي للمنازل الأيوتية والذكية

وعلى الرغم من أن الطباعة من نوع 4D كثيرا ما تُستخدم كبديل سلبي للكترونات، فإن الداخلية المستقبلية قد تجمع بين النهجين، ويمكن التحكم في عنصر من نوع 4D-طباعة بواسطة مصباح صغير يعمل على إحداث حرارة، ويُدمج الاستقلال المادي مع المراقبة الرقمية، ويمكن أن يوفر هذا النموذج الهجين أفضل من كلا العالمين: الاستجابة السريعة الصنع خلال التشغيل العادي، والتجاوز الدقيق للمنبر الإلكتروني عند الحاجة.

الرؤية التجارية والتبني الصناعي

ويمكن للشركات مثل مختبرات التجميل الذاتي، والستراتاسيات (العملاقة) والبدءات الناشئة استكشاف 4D الطباعة للهيكل والتصميم، وتشمل بعض التطبيقات التجارية المبكرة فتحات ذاتية التنظيم والإضاءة التكييفية لمشاريع الضيافة العالية، ومع انخفاض تكاليف الإنتاج وتحسين الموثوقية، يمكننا أن نتوقع رؤية عناصر ذاتية الطباعة 4 دال في أجزاء المكاتب، وعرض المتاحف، والبيئة الكمالية.

الاستنتاج: تشكيل مستقبل الفضاءات الداخلية

فالطباعة ٤ دال توفر مسارا ملموسا إلى البيئات الداخلية التي ليست ثابتة، بل حية، مع إمكانية، ويمكن للمصممين، عن طريق إدخال الاستجابة مباشرة إلى المواد، أن يخلقوا أماكن عمل تستجيب بصورة غير ملائمة للوجود البشري والظروف الطبيعية - دون الاعتماد على التكنولوجيا المعقدة، بل إن إمكانات توفير الطاقة، والتصاميم الفضائية، وتعزيز راحة المستعملين تجعل من ٤ دال تطبع اتجاها قاهرا لصناعة التصميم الداخلي، بينما تظل التجانسات المواد في أماكن العمل،