Table of Contents
إن التطور السريع في الصناعة التحويلية المضافة قد أدى إلى ظهور نموذج جديد: الطباعة الرباعية الأبعاد، وخلافا للطباعة التقليدية 3D، التي تنتج أشياء ثابتة، و4D مكونات مطبعية قادرة على التحول بمرور الوقت استجابة لمكونات متغيرة في البيئة، و4 عناصر متطورة ذاتية، و4 عناصر متطورة في مجال الرعاية البشرية، و4 عناصر متطورة في نفس الوقت، و4 عناصر غير عادية
ما هو الطبع 4D؟
وفي جوهرها، فإن الطباعة من نوع 4D هي تمديد للطباعة من ثلاثية الأبعاد التي تستخدم مواد قابلة للبرمجة، وذكية - غالبا ما تسبب البوليمرات الشكلية، أو الهيدروجيلات، أو الازرار السائل في البلورة - وقد حان الوقت بعد أن يُصنع الجزء، وهي تواصل التطور على طول مسار مبرمج قبل تطبيق أداة محددة، وهذا السلوك ليس حادثا بل هو أسلوب طباعة مصمم أثناء عملية الطباعة.
ومنذ ذلك الحين، تطورت الملعب بشكل ملحوظ، إذ أن الطباعة من نوع 4D تشمل مجموعة واسعة من المواد والمحفزات، مثلا، يمكن طبع ثلاثية الأبعاد مثل نيتينول للعودة إلى شكل متجانس عندما تكون درجة الحرارة أعلى من درجة الحرارة الانتقالية، ويمكن أن تتضخم أو تتقلص مع تغيرات في الرطوبة، وتنتج مواد مستجيبة للصوت أو تلتوى عندما تتعرض لمواد دقيقة من القيود.
فهم الفيزياء الأساسية أمر أساسي للمصممين، ويمكن أن يكون التحول قابلا للعكس أو لا رجعة فيه، أو سريع (ثانية) أو بطيء (ساعات)، ويمكن أن ينطوي على تغييرات في الشكل أو النسيج أو اللون أو السخرية، وبضبط هذه البارامترات تحديدا، يمكن للمهندسين أن يخلقوا منافذ تتنفس أو تشد أو تخفف أو تغير ممتلكاتهم الحرارية عند الطلب.
التطبيقات في الأجهزة القابلة للزراعة: من Comfort إلى Clinical
وقد كافحت التكنولوجيا المستقرة منذ وقت طويل مع توتر أساسي: إذ يجب أن يكون الجهاز على مقربة من جمع بيانات دقيقة عن القياس البيولوجي، ومع ذلك يجب أن يظل مرتاحا للاستخدام في جميع الأيام.
Custom Fit and Ergonomic Adaptation
أحد أكثر الفوائد المباشرة تناسبياً، ويمكن طبع معصم مطبوع من نوع 4D، على سبيل المثال، في البداية في شكل مسطح، ثم تُطلق حرارة الجسم إلى العنان وتتوافق تماماً مع ظروف معصم المستخدم، ولأن التحول قابل للعكس، فإن الفرقة يمكن أن تُطفأ أثناء الراحة وتشديدها أثناء النشاط، مع الحفاظ على ضغط اتصال ثابت، ويلغي هذا التكييف الحاجة إلى ملصقات ميكانيكية أو مضيق للضغط.
وبالمثل، كثيرا ما تتسبب أجهزة الاستماع والأجهزة التي ترتدى أذنا في عدم الارتياح بسبب الهندسة غير النظامية لقناة الأذن. ويمكن أن تبدأ أجهزة الأذن المطبوعة بأربعة دال كهيكل ناعم ومرن، عندما تتعرض للرطوبة أو درجة حرارة الجسم، في التوسع تدريجيا أو العقود لتحقيق ختم مثالي، ونتيجة لذلك جهاز يبقى قائما أثناء الحركة ويقلل من الغضب.
الحدائق الضغطية الذكية
ويمكن أن تستفيد [الملابس المضغوطة] - التي تستخدم للتعافي أو الأداء الرياضي أو الإدارة الطبية للفيتامين - استفادة كبيرة من الطباعة 4D.() وقد تمارس الملابس المضغوطة التقليدية ضغطاً ثابتاً يمكن أن يكون مرتفعاً جداً أثناء النوم أو منخفضاً جداً أثناء الممارسة() ومن خلال إدماج 4D عناصر مطبوعة (مثل الألياف الشكلية أو الألواح المستجيبة) يمكن أن تكيف قوة الركبة بشكل دينامي.
أجهزة الاستشعار الحيوية ذات الاتصال المتغير
وتحتاج المصابون بالضعف التي ترصد معدل القلب، أو استجابة الجلد المغنطيسي، أو درجة الحرارة عادة إلى اتصال وثيق الجلد، غير أن الضغط المطول يمكن أن يسبب تهيج الجلد وتحلل الإشارات بسبب تكوّن العرق. ويمكن أن تدمج 4D من محاليل الاستشعار المطبوعات الميكانيكية التي تفتح عند اكتشاف الرطوبة، أو أن تقلل من ضغط الاتصال أثناء فترات النشاط المنخفض لترك التنفس الجلدي.
Thermoregulation and Climate Adaptation
إن الحفاظ على الراحه الحرارية يشكل تحديا كبيرا للملابس التي يجب أن تعمل في بيئات متنوعة. ويمكن أن تعمل الطبقات المطبوعة من نوع 4D كأجهزة عزل دينامية: فعندما ترتفع درجة الحرارة المحيطة، يمكن أن تتوسع المواد أو تفتح مسامير لزيادة تدفق الهواء؛ وعندما تهبط، تبرم عقودا مع تركيبات لتسخين الشراك، وقد ثبت أن هذه النسيجات الذكية تستخدم كتيبات البوليمرات المستجيبة التي تنظم مقياسات الميكانيكية من نوع A.
اعتبارات التصميم الخاصة بالأصناف الجاهزة
فالتصميم على الطباعة 4D يختلف اختلافا جوهريا عن تصميم الطباعة الثابتة للطباعة 3D أو التصنيع التقليدي، ويجب تصور هذا العنصر باعتباره نظاما لا يشمل مجرد قياسه الجغرافي النهائي، بل يشمل مسار التحول بأكمله والظروف التي تدفعه، ويتضح من ذلك الاعتبارات الرئيسية التي يتعين على المهندسين ومصممي المنتجات معالجتها.
اختيار المواد ومواءمة مقاييسها
فالمقرر الأول هو اختيار مادة ذكية تستجيب للحافز المقصود، إذ يجب أن يكون الحافز آمنا وواقعيا في بيئة الاستخدام، وأن يكون حرارة الجسم )٣٢-٣٧ درجة مئوية( هي دافع ملائم يجعل من البوليمرات المخففة ذات الشكل المستجيب للدرجات الحرارية جذابة، غير أن نسبة درجات الحرارة الانتقالية يجب أن تُحسب بحيث تحدث في نطاق مشرق.
والمواد الخفيفة، مثل تلك التي تحتوي على مجموعات من الفوتوكروم أو الزومبينزين، تسمح بالتنشيط عن بعد دون اتصال جسدي، ولكنها تتطلب خطا من البصر وقد تضيف السوائب، وقد تتطلب المركبات المستجيبة للميدان المغناطيسي، بينما تكون أقل شيوعا، تقدم صعودا سريعا ويمكن عكسه في هياكل رقيقة، ويتوقف الاختيار في نهاية المطاف على حالة تباطؤ مسار الاستخدام المحدد:
تصميمات لـ " فاتريغ " و " عكس "
فالاحتمالات المتكررة - الإقراض والتمدد والضغط - على آلاف الدورات - يجب أن يظل السلوك التكييفي للعناصر المطبوعة من 4D متسقا على مدى عمر الجهاز، وكثيرا ما يعاني البوليمرات المضغية من الإجهاد: فبعد العديد من الدورات، تتناقص نسبة التعافي من الكبريت، وقد ترتفع درجة الحرارة، ويمكن للتخفيض من هذه السترات أن تُحدِّد معايير الطباعة (التوجه الكثيفي) في الموابل.
الطباعة المتعددة المواد والنزاهة بين الأوجه
فالعديد من المواد القابلة للتعديل تتطلب مزيجا من المواد الذكية والتقليدية، مثلا، يمكن طبع لوحة دائرة مرنة من مادة حرارية مُتَحلة إلى جانب استراتيجية فرعية من نوع واحد، كما أن التفاعل بين هاتين المادتين يجب أن يصمد أمام التوسع والتقلب المتباينين أثناء التحولات، فالتخفيض هو أسلوب فشل شائع، إذ أن استخدام واجهات ثابتة - حيث ينتقل التركيب المادي تدريجيا من نوع إلى آخر - يمكن أن يؤدي إلى تخفيف حدة التوترات المتقدمة.
دمج أجهزة الاستشعار والتحكم
وفي حين أن بعض المكونات المطبوعة من نوع 4D هي عناصر سلبية بحتة (تستجيب مباشرة إلى المحفزات البيئية)، فإن بعضها الآخر يستفيد من الرقابة الفعالة عن طريق الإلكترونيات المدمجة، مثلا، فإن من الضروري أن يتحول بين أسلوبين متشددين على القيادة يمكن أن يستخدما عنصراً مقاوماً للتدفئة يطبع مباشرة إلى مصفوفة الشكل، وعندما تكون التدفقات الحالية، فإن الحرارة المادية وتنشط التغير في الشكل، وهذا التكامل يتطلب إدارة حرارية على نحو أفضل لتجنب الازجة.
التصميم المحوسب والتحكّم
ونظراً لأن التبريد المادي لقطع الغيار ذات الـ 4D هو ستغرق الوقت وتكلفته، فإن المحاكاة أمر حاسم، ويجب أن يتضمن تحليل العناصر الحيوية نماذج المواد المعتمدة على الزمن التي تستوعب مرونة المقاييس، وعمليات الانتقال التدريجي، والتشوهات الكبيرة. ويمكن للتصميمات أن تستخدم الترشيد الأمثل لتحديد أفضل توزيع للمواد النشطة والسلبية لتحقيق تغيير الشكل المستهدف مع الحد الأدنى من المواد.
دراسات الحالة: القابلات للذوات الارتطامية الحقيقية في العالم
حالات العجز عن العناية بالزئبق الدوائية
ويعاني المرضى المصابين بمرض عصبي في كثير من الأحيان ويتعرضون لخطر الإصابة بسرطانات القدم، وقد يؤدي الانسول الذي يكيف توزيع الضغط في الوقت الحقيقي إلى منع حدوث أضرار في الأنسجة، وقد أعد الباحثون في جامعة نيو ساوث ويلز خلية مطبوعة تستخدم فيها خلايا الهيدروجيل الرخيصة، وعندما تظهر السترات اللامعة في مناطق محددة، يعاد توزيع الضغط على المناطق المرتفعة.
التسلسلات الاصطناعية
المستعملون الاصطناعيون يختبرون تقلبات في الحجم في أطرافهم المتبقية طوال اليوم مما يؤدي إلى ازدراء في الجوارب
الأزواج الرياضية المستجيبة
وقد استحدثت مؤخراً شبكة إلكترونية للمستهلكين من أجل المهربين تحتوي على 4D من الرواسب العرقية المطبوعة، أما الأصفاد التي تُصنع من مهبط مائي معتمد على الخلايا، فتتراوح عندما تستوعب الطموح، وترفع بعيداً عن الجلد لتحسين تدفق الهواء وتخفف من التخثر، كما أن لون جهاز الطباعة الذي يجسده الهيدروجين، لا يبين بعد حالة التكييف.
الآفاق المستقبلية: نحو ذكاء، نظم ذاتية ذاتية
مسار الطباعة 4D في الأحذية المزروعة يشير إلى أنظمة غير قابلة للتكييف فحسب ولكن متوقعة أيضاً التكامل مع التعلم الآلي يمكن أن يسمح لجهاز لتعلم أنماط نشاط الفرد وتحولات ما قبل الخيوط، على سبيل المثال، قد يتوقع سلالة الركبة هبوطاً خلال القفز و الحلقات الثانية قبل التأثير
ومن شأن التقدم في البطاريات المطبوعة ومواد جني الطاقة أن يقلل من الحاجة إلى الطاقة الخارجية، مما يتيح إمكانية الحصول على أجهزة ذاتية حقا، ويمكن أن تدمج أجهزة الناجين الثلاثية الأبعاد في نسيج مطبوعات من 4D لاستخلاص الطاقة من حركة الجسم واستخدامه في تغيير شكل الطاقة، وبالمثل، يمكن للمولدات الكهربائية العاملة في مجال حرق النفايات.
الاستدامة هي حدود أخرى، ويمكن تصميم 4D من المواد الجاهزة للطباعة لتفكك وإعادة التدوير: يمكن أن تُطلق المواد الذكية للعودة إلى دولة مسطحة أو شبه عادية، وتبسيط استرداد المواد، ويجري تطوير البوليمرات التي يمكن تبويبها من الموارد المتجددة (مثل حمض البوليتك من ستارك الذرة)، مما يقلل من الآثار البيئية.
أما بالنسبة للملابس الطبية، فإن إدارة الأغذية والمخدرات في الولايات المتحدة تتطلب اختبارا دقيقا لأي مواد جديدة أو سلوك نشط، لأن الأجهزة المطبوعة ذات الـ 4D تتسم بالحيوية، وتنشئ السلامة والفعالية لمجموعة من الدول المحتملة أكثر تعقيدا من الأجهزة الثابتة، وتعمل هيئات المعايير مثل المنظمة الدولية لتوحيد المقاييس/منظمة الدولية للتصنيع على وضع أنظمة مضافة للتصميمات الذكية، ولكن لا يزال يتعين على الجهات الفاعلة أن تتطور.
التحديات والحدود
وعلى الرغم من الوعد، يجب التغلب على عدة حواجز قبل أن تصبح المواد الجاهزة للطباعة 4D من المواد الذكية في معظم الأحيان متخلفة عن البلاستيك الهندسي التقليدي، فالبوليمرات الشبيهة، مثلا، تكون ذات قوة وثبات أقل من الفلزات أو المركبات المربوطة التي تُستخدم في الحمل، مع أن تكلفة المواد المطبوعة المتخصصة لا تزال تشكل مصدر قلق.
وثمة تحد آخر هو إمكانية التنبؤ بالتحولات في البيئات غير الخاضعة للمراقبة، وقد يتجاوز حجم التحول المباشر - الذي كثيرا ما يمتد إلى ساعات - درجة الحرارة التي تمر بها، مما يتسبب في تغيرات في الشكل غير المقصود، ويمكن أن تؤدي الكبسولات أو الطبقات الواقية إلى تخفيف حدة ذلك، ولكنها تضيف السوائب ويمكن أن تتدخل في الحفازات، وعلاوة على ذلك، فإن نطاق التحول الزمني - الذي يستغرق وقتا طويلا - قد يكون بطيئا للغاية بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب استجابة فورية، مثل حماية الأثر.
كما أن ثقة المستعمل وقبوله يؤديان دوراً، وقد يكون الناس غير مرتاحين لجهاز يتغير من تلقاء أنفسهم، لا سيما إذا كان التحول لا رجعة فيه أو حدث بصورة غير متوقعة، فالتواصل الواضح والبرمجة القابلة للتكيف (مثلاً عن طريق تطبيق الهاتف الذكي)، وآليات السلامة الفشلية (التجاوزات الفردية) يمكن أن تساعد على بناء الثقة، كما أن التعليم بشأن الفوائد - زيادة الراحة، وطول العمر، والتعديلات الميكانيكية أقل - سيكون مهماً للتبني.
خاتمة
إن تصميم أجهزة قابلة للتعديل ذات مكونات مطبوعة من نوع ٤ دال يمثل تقاربا في علوم المواد، والتصميم الميكانيكي، والابتكار الذي يركز على المستعملين، ومن خلال استخدام مواد قابلة للبرمجة تستجيب لحرارة الجسم، أو الرطوبة، أو الضوء، يمكن للمهندسين أن يخلقوا أصنافا قابلة للارتداء تناسبية تماما، وأن يولدوا ضغوطا علاجية عند الحاجة، وتستلزم الرحلة من المفهوم إلى المنتج التجاري اختيارا دقيقا للمنتجات، وتكيفا قويا، وتكلفة مدروسة، وتقنية.
External Links:]