وقد أصبحت القدرة على رصد السلامة الهيكلية للجسور والمباني والطائرات وخطوط الأنابيب في الوقت الحقيقي أولوية متزايدة للمهندسين ومديري الأصول، وقد اعتمدت أجهزة الاستشعار التقليدية لرصد الصحة الهيكلية على المواد الصلبة التي تقيس الإجهاد أو اليقظة أو درجة الحرارة، ولكنها غالبا ما تتطلب وصلات صلبة ومعايرة متكررة، ويجري تغيير النماذج المشابهة مع ظهور نظم للطباعة ذاتية تكون أكثر فعالية من أربعة دالات، مما يتيح تحقيق التكييف.

الرسم البياني 4D: أكثر من مجرد البعد الرابع

والطباعة ٤ دال تستند مباشرة إلى أساس الطباعة ٣ دال بإضافة بُعد الزمن، ويشير مصطلح " ٤ دال " إلى قدرة الجسم المطبوع على تحويل الهندسة أو وظيفته بعد الصنع عندما يتم تشغيله بواسطة تركيبة خارجية من مواد الحفز أو الرطوبة أو الضوء أو الصحة أو الإجهاد الميكانيكي، ويبرمج هذا التحول إلى المادة نفسها، وغالبا باستخدام البوليميرات السائلة أو المولدات اللامعة.

المواد التي خلفها الطباعة 4D

وهناك عدة فئات من المواد الذكية هي مواد مركزية في أجهزة الاستشعار ذات الطباعة 4D. ويمكن برمجة البوليمرات الشبيهة للعودة إلى شكل متذكر عندما تكون درجة الحرارة أعلى من درجة الحرارة الانتقالية، وتستجيب الهيدروغيل للتغيرات في الرطوبة أو الهيدروجين عن طريق التورم أو الانكماش.

برمجة التحول

إن سلوك التحول محكوم بعملية الطباعة نفسها، إذ يمكن للباحثين، من خلال مراقبة سميك طبقة المياه، والأنماط المليئة، وتوجهات الترسيب المادي، أن يستحدثوا ضغوطا داخلية أو درجات تحدد كيفية رد الفعل على الجسم بمرور الوقت، وعلى سبيل المثال، يمكن طبع جهاز استشعار مصمم لكشف اتساع رقعة الكراك مع طبقة متطورة قبل التدريب، تخترق نسقاً مختلفاً عندما يتجاوز الشق العتبة، مما يؤدي إلى تغيير مقاومته الكهربائية.

رصد الصحة الهيكلية: لماذا تختفي الأساليب الحالية

وتشمل عمليات الرصد الهيكلي للصحة مجموعة من التقنيات الرامية إلى الكشف عن الأضرار التي تحدث في الهياكل الهندسية، وتحديد المواقع المحلية وتقييم الأضرار التي تحدث فيها، وتشمل النهج المشتركة مقاييس التسارع الفائقة، وقياسات الإجهاد الضوئي، وأجهزة الاستشعار الصوتية للانبعاثات، والاختبارات غير الصوتية، بينما تتسم هذه النظم بفعالية في كثير من الحالات، فإنها تخلق عوامل ضعف في الحركة، وتخلق أجهزة الاستشعار اللاسلكية، وهي عرضة للتكييف.

قضية الاستشعار الاستشاري

ويمكن للمستشعر الذي يطبع بمقياس 4D أن يتغلب على هذه المجازر بالاستجابة الفعالة لبيئة المرصد، مثلا، يمكن أن يحافظ جهاز الاستشعار الذي يتأثر بدرجات حرارة عالية على دقته عندما يرتفع سطح الجسر في الصيف، بينما يمكن أن ينجرف جهاز الاستشعار التقليدي، وبالمثل، يمكن أن يضاعف جهاز الاستشعار الذي يتضخم في وجود الرطوبة كمؤشر للتآكل، يخطر مشغلي الماء في التدهور قبل أن يؤدي إلى حدوث ذلك.

How 4D Printing Enables Responsive SHM Sensors

وقد أظهر الباحثون عدة تصميمات لدليل المفاهيم تحفز الطباعة من 4D على الإدارة الصحية المتكاملة، ويستخدم أحد النهجين أداة فرعية من نوع " تعددية " تطبع بعلامات مؤثرة، وعندما يشق الهيكل الأساسي، يتصدع الخيوط أو التلويث، ويغير مقاومة التتبع بطريقة يمكن التنبؤ بها، ولأن المواد يمكن أن تبرمج لاستعادة شكلها الأصلي عند التدفئة، فإن الحساس يمكن أن يمتص به.

الاستشعار الذاتي والاتصال

وبخلاف التغييرات البسيطة في المقاومة، يمكن للمستشعرات التي تحمل طباعة 4D أن تتضمن عناصر هيائيات تغير الترددات الصوتية عندما تُشَدَّل، مما يتيح لها الاتصال اللاسلكي مع قارئ، مثل البطاقات السلبية التي تستخدمها قاعدة البيانات، دون الحاجة إلى بطارية، ويمكن طبعها باستخدام حبوب موصلية ممتدة على جهاز فرعي مصمم على شكل مقياس الترددات، وعند حدوث تحول هيكلي.

مستلزمات من 4D-Printed Sensors in SHM

ويتيح الانتقال من أجهزة الاستشعار الصلبة والسلبية إلى أجهزة تكييف ذات طباعة 4D عددا من الفوائد الملموسة لإدارة الهياكل الأساسية:

  • Self-adaptation to environment]: يمكن أن تعوض أجهزة الاستشعار تلقائيا عن درجة الحرارة أو الرطوبة أو تغيرات الحمولة، مع الحفاظ على الدقة دون التصحيح.
  • Damage-triggered response: يمكن تصميم جهاز استشعار لتغيير ممتلكاته الكهربائية أو الميكانيكية فقط عندما تتجاوز عتبة الضرر، وتخفض الايجابيات الكاذبة، وتمتد فترة بقاء البطاريات في تصميمات شبه نشطة.
  • Embedded memory and reset capacity: Shape-memory materials allow a sensor to be restored to its original state after an event, enabling multiple use cycles.
  • Conformal integration]: 4Dطباعة مباشرة على السطحات الهيكلية المكشوفة أو غير النظامية ممكنة، مما يزيل الحاجة إلى ضمائب أو خلاصات يمكن أن تُلغى بمرور الوقت.
  • Reduced wiring and complexity]: Passive wireless designs remove the need for power and data cables, streamlineing installation in retrofit applications.
  • Multi-parameterens]: يمكن لعنصر واحد من 4D-printed أن يقيس الضلع ودرجة الحرارة والرطوبة في آن واحد عن طريق رصد مختلف جوانب استجابتها (مثل تغير المقاومة، والاختلال، والتشوه الميكانيكي).

التحديات التي تواجه الانتقال من مسار إلى الانتشار

ورغم هذه المزايا، فإن أجهزة الاستشعار ذات الطباعة 4D من أجل الإدارة المستدامة للأراضي ليست جاهزة بعد للاستخدام التجاري الواسع النطاق، ولا تزال هناك عدة حواجز تقنية وعملية.

مدة المواد وطول المدة

وهناك العديد من البوليمرات الذكية التي تتدهور تحت التعرض المطول للأشعة فوق البنفسجية، أو الرطوبة العالية، أو التقلبات الحرارية المتكررة، ويمكن أن يتلاشى أثر الشكل بمرور الوقت إذا كانت المواد تدور مرات عديدة، مما يؤدي إلى انتعاش ناقص وفقدان المعايرة، ويستكشف الباحثون الكيمياء المترابطة ومجموعات المواد المضافة لتحسين مقاومة البصمات، ولكن البيانات الطويلة الأجل في ظل ظروف التشغيل الحقيقية شحيحة.

القدرة على التصعيد والصناعات التحويلية

وتنتج معظم أجهزة الاستشعار ذات الطابع العالي التي تستخدم 4D اليوم على طابعات درجة البحث التي توفر حجما محدودا ومتوسطا، كما أن التوسع في إنتاج آلاف أجهزة الاستشعار المتطابقة مع سلوك التحول المتسق أمر غير حاسم، كما أن التباينات في تكوين الألياف، والرطوبة الوخيمة أثناء الطباعة، وشروط التجهيز بعد التحرير يمكن أن تؤثر جميعها على الأداء النهائي، وتعمل الصناعة على إنشاء نظم لمراقبة المباني المغلقة تقوم برصد وتعديل معايير الطباعة في الوقت الحقيقي.

التكامل مع النظم القائمة لإدارة الصحة والسلامة

وعادة ما يكون أصحاب الهياكل الأساسية قد أنشأوا خطوطاً لاقتناء البيانات وتحليلها، ويجب أن تكون تكنولوجيا الاستشعار الجديدة متوافقة مع هذه النظم، إما عن طريق إنتاج إشارات كهربائية موحدة (المتطوّرة، الحالية، التردد) أو عن طريق الاتصال عبر بروتوكولات مشتركة (مدبوس، لوروا، 4 زاي).

عدم الاستقرار والمعايير

ونظراً لأن أجهزة الاستشعار ذات الطباعة 4D تعتمد على التحولات المادية، فإن ردها يمكن أن يكون غير خطي ومعتمد على التاريخ، ويتطلب تحديد هذه أجهزة الاستشعار بدقة على النطاق الكامل للمستويات المتوقعة والدورات، وعلاوة على ذلك، إذا حدث تعدد المهابط في وقت واحد (مثلاً، تغير درجة الحرارة المقترن بفتح الشق)، فإن تحديد المساهمات يصبح صعباً.

البحوث والمظاهرات الحقيقية للعالم

وعلى الرغم من التحديات، انتقلت عدة مختبرات جامعية ومختبرات شركات إلى تجارب ميدانية صغيرة، ومثال ملحوظ من جامعة المواد المتقدمة في غلاسغو وجهاز تصنيع متعدد الأجهزة تم اكتشافه بنجاح، حيث وضع الباحثون جهازاً قياسياً مصمماً على أساس 4D-FL] تم تركيبه على مقياس متعدد الأطراف.

كما أن اهتمام القطاع الخاص آخذ في الازدياد، إذ تقوم شركات مثل Melior Photonics] و]3D Systems بوضع مواد ذات أداء رفيع، خاصة للمترجمين التحريريين الذين يطبعون 4D. وفي الوقت نفسه، مول برنامج الكشف عن هوريزون التابع للاتحاد الأوروبي [FT:4]

الاتجاهات المستقبلية: حيث يتجه الطباعة 4D والتصوير المغناطيسي

وفي المستقبل، سيقود تقارب الطباعة من 4D مع التكنولوجيات الناشئة الأخرى إلى الأمام موجة الابتكار التالية في مجال رصد الصحة الهيكلية.

التصميمات المُلهمة بيئياً والمتعددة الأبعاد

فالطبيعة تقدم أمثلة عديدة على الهياكل التكييفية، بدءا بفتح وإغلاق الأنينكونات إلى ثني الأوراق، فالمهندسين ينتقلون إلى هذه الآليات عن طريق طباعة أجهزة الاستشعار التي تجمع بين المواد الصلبة والناعمة، وتخلق خلايا ومواقد تستجيب للطيور البيئية، وقد تتضمن أجهزة الاستشعار المقبلة الكائنات المجهرية الحية أو الأنزيمات التي تنتج إشارة كهربائية فقط عندما توفر مادة كيميائية معززة من الآلات.

الاستخبارات الأثرية والتوائم الرقمية

فالبيانات الغنية والمتعددة الأبعاد التي تنتجها أجهزة الاستشعار ذات الطباعة 4D (الاستعراض، ودرجة الحرارة، والرطوبة، بالإضافة إلى حالة التحول الخاصة بالمستشعر) هي مثالية لنماذج التعلم الآلي في مجال التدريب، ولا يمكن للتوائم الرقمي من الهيكل أن يحفز الاستجابات المستشعرة المتوقعة في إطار سيناريوهات مختلفة للأضرار، ويمكن للمعاملات المتقدمة أن تُحد من موقع وشدة الضرر الحقيقي من قراءات الاستشعار الصماء.

الإلكترونيات المطبوعة وتعبئة الطاقة

ومن شأن إدماج مواد جني الطاقة - مثل البوليمرات الفائقة الفائقة أو المركبات الحرارية - في نفس الهيكل ذي ال ٤ دال - أن يخلق أجهزة استشعار ذاتية القدرة، وعلى سبيل المثال، فإن تركيبة مطبوعة يمكن أن تستمد الطاقة الاستنشاقية من سطح جسر يمكن أن تبث على جهاز إرسال لاسلكي على متنه.

الاستشعار والحساب الهيكلي

وبدلاً من عقد أجهزة الاستشعار المتميزة، يمكن للطباعة المقبلة من نوع 4D أن تنتج " جلداً محسساً " متواصلاً يغطي سطح هيكلي كامل، ويمكن طبع هذا الجلد في عملية واحدة باستخدام رؤوس مطبوعة متعددة - واحدة للمواد الهيكلية، وواحدة لمادة الاستشعار المستجيبة، وواحدة للآثار والمواطنات، ويمكن أن يلحق الضرر بمؤشرات ذات طابعة إلكترونية أقل.

الخطوات العملية نحو التبني

وبالنسبة لمالكي البنى التحتية والمهندسين المهتمين باستكشاف أجهزة الاستشعار ذات الطابع العالي، فإن عدة خطوات قريبة الأجل ممكنة، أولا، مشاريع تجريبية بشأن المكونات غير الحرجة - مثل جسور المشاة، والهياكل المؤقتة، أو بناء أكاديميات - يمكن أن توفر بيانات ميدانية قيمة دون مخاطر كبيرة، وثانيا، فإن الشراكات مع مختبرات الجامعات أو مكاتب الصناعات التحويلية الاصطناعية المتخصصة تتيح إمكانية الحصول على مواد متطورة دون زيادة كبيرة في الاستثمارات الرأسمالية.

خاتمة

فالطباعة ٤ دال توفر مسارا قاهرا للرصد الهيكلي للصحة، مما يمك ِّن أجهزة الاستشعار التي لم تعد مراقبا سلبيا، بل تشارك مشاركة نشطة في سلامة الهياكل الأساسية وقدرتها على الصمود، ومن خلال برمجة المواد التي تُبنى بذكاء لمواجهة الإجهاد، ودرجة الحرارة، والرطوبة، والأضرار، يمكن للمهندسين أن يخلقوا نظما للرصد تكون أكثر دقة، وأطول مدة، وأقل تكلفة لنشرها من البدائل التقليدية، وفي حين أن تكون المواد الهندسية الأساسية المصممة، وقابلية، وقابلية، وتحديات، وتطورة، وتطورية، وتطورية،