تطبيق مبادئ التصميم المُلهمة بيولوجياً في الهندسة المعدنية

وقد نظر المهندسون إلى الطبيعة منذ قرون، ولم يعد مجال هندسة المعادن استثناء، فالتصميم المزود بالبلازمة الحيوية، الذي يُسمى أحيانا بالميكنة الأحيائية، ينطوي على دراسة الهياكل والعمليات والنظم الموجودة في الكائنات البيولوجية، وتطبيق تلك الدروس لحل التحديات الهندسية البشرية، وقد مرت على الطبيعة ملايين السنين لاختبار وصقل الحلول، مما يؤدي إلى مواد قوية جدا، وخفيضة الوزن، وتصفي المعادن ذاتية، وتتحولها إلى استراتيجيات واعدة للطاقة.

مؤسسة التصميم البيولوجي في الهندسة المعدنية

ما هو بيوميك؟

والاختناق البيولوجي هو ممارسة تقليد أنماط الحياة واستراتيجياتها التي تجري اختبارا زمنيا، وقد قامت جانين بينيوس بنشر هذه العبارة في كتابها لعام ١٩٩٧ ]الفكرة الرئيسية للشبكة: الابتكار الذي يلهم الطبيعة الطبيعية ]النظام الأساسي للشبكة:. وفي الهندسة، يتجاوز الكيمياء الحيوية مجرد نسخ شكل؛ وهو ينطوي على فهم المبادئ الأساسية التي تجعل من قوى الوزن الطبيعي فعالة.

لماذا تعود الهندسة المعدنية على الطبيعة

والمعادن أساسية بالنسبة للهياكل الأساسية الحديثة، والنقل، والصناعة التحويلية، ولكنها تأتي بمبادلات متأصلة، وكثيرا ما تأتي القوة بتكلفة الوزن، وقد تتطلب القابلية للدوافع المعاطف الثقيلة أو الصيانة المتكررة، وتحل الطبيعة مشاكل مماثلة مع حلول وسطية واضحة، وعلى سبيل المثال، تكون الخلية المركبة من التلال الجليدية والفوسفات الكالسيومية التي تحقق كلا من النسيج والتصميم الصاعدي.

Core Bioinspired Design Principles Applied to Metals

تحقيق التعظيم الهيكلي - الدروس المستفادة من العظام والشوف

ومن أكثر الترجمات مباشرة للبيولوجيا إلى هندسة المعادن، تحقيق الهيكل الداخلي الأمثل، حيث تُعد العظام مُهَوَلة أو مُخَلَّفة في المناطق التي يُعاني فيها الإجهاد من انخفاض في الضغط، وتُعدّ هذه المكوّنة من مواد مُتكيفة، وتُستخدم فيها كميات كبيرة من الرؤوس المُتَخَوَّلة من الترُّفُّث.

الهندسة السطحية - لوتس إيفاتر وقرش سكين

ويتسبب سطح مادة في كثير من الأحيان في طولها وتكاليف الصيانة، كما أن العديد من النباتات والحيوانات قد تطورت من سطح الماء أو التراب أو النمو البيولوجي، كما أن أوراق اليانصيب، التي تُستخدم في القدرة على التنظيف الذاتي، تستخدم مطبات مائية غير مصغرة تسبب تسرب المياه إلى القاع وتفريغها، وتُحمل الملوثات بها.

كفاءة الطاقة والتقليل من المواد

ونادرا ما تكون الطاقة من النفايات - فالأشجار توزع كتلتها على الصابورة بينما تهب الرياح، وعظام الطيور تهتز من أجل توفير الوزن اللازم للرحلات، وتُعلم مهندسي المعادن استخدام مواد أقل تخلاً عن الأداء، كما أن هياكل الطراز التي تستمد من العظام المتناقلة، مثلاً، يمكن أن تحل محل أجزاء المعادن الصلبة في مكونات تعليق السيارات والثباتات الاصطناعية، وتُبنى أجزاء من الوزن التراكمي.

آليات الصحة الذاتية والإعالة

ويمكن للأنسجة البيولوجية أن تصلح نفسها بعد الإصابة، وهي ممتلكات يزرعها المهندسون الآن في المعادن، فبينما تدمج المعاطف المعدنية ذاتيا، مثلا، الميكروبات الممتلئة بعامل شفاء، وعندما تكون الاختراق أو الاستمارات، فإن الخلايا تمزق وتفرج عن العامل، الذي يتفاعل مع البيئة أو مع عوامل حفازة مثبتة لإغلاق الضرر.

Real-World Applications Across Industries

الفضاء الجوي - هياكل البطاقات الخفيفة الوزن

ويستمر هذا الارتحال في مواجهة الطيران، حيث كان مهندسو الفضاء الجوي يتبنى في وقت مبكر تصميمات المعادن المُلهمة أحيائياً، حيث أصبحت هياكل التمرين المشار إليها سابقاً تستخدم الآن في اللوحات التربينية، وأجهزة التموين، وأجهزة التموين، وأجهزة التنظيف التي تستخدمها أجهزة الترميز ذات الصبغة المتحركة، والتي تكون أكثر من نظيراتها المُتة.

السيارات - الصلاحية للطفح الجلدي والحد من الوزن

وفي صناعة السيارات، يستخدم التصميم المُلهم أحيائيا لتحسين السلامة والكفاءة على السواء، كما أن السكك الحديدية الطفح ومناطق الطين التي تُعاد تصميمها بهياكل هرمية تستوعب الطاقة تدريجيا، كما أن هيكل قذيفة جوز الهند يُبطل قوى التأثير.

التشييد - مواد البناء الميسرة

ويستكشف قطاع البناء المعادن المشبع بالحيوانات لكل من التطبيقات الهيكلية والمشابهة، ويجري تصميم الحزم والأعمدة باستخدام أجزاء مختلفة من الشوائب التي تتبع مسارات الإجهاد الرئيسية، مثل شكل صندوق الأشجار، ويقلل هذا النهج من التصميم المحسوب والرطوبة الآلية، من استخدام الصلب عموما بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة، مع الحفاظ على القدرة على إزالة الزلازل.

الماريــع - مكافحــة الوحــد ومقاومــة الكوروسيــن

وبالإضافة إلى ذلك، فإن البيئات البحرية هي من أكثر أنواع المعادن عدوانا، حيث تتسارع المياه المالحة وتزيد من الجر والوزن البيولوجي، وتخفض الحلول التي تصب في الازدحام البيولوجي، وتنتج عن ذلك عمليات التنظيف السطحي التي تُستخدم في السفن والتي لا تُستخدم في إنتاج مواد مطاطية، وتُجرَّد هذه المواد من الطلاء السطحي المحتوية على مطاطي، وخلافاً لد الدهون السائل الريحية التقليدية التي تُضادة،

دراسات حالة في الهندسة المميتة الحيوية

Shark Skin Replication for Anti-Fouling

ومن أكثر السطحات التي تم بحثها، وهي تضاعف كثافة سمك القرش، كما أن الباحثين في مؤسسات مثل جامعة فلوريدا ومعهد فرانهوفر قد طوروا أساليب تصنيع قابلة للتكدس لطباعة الجراثيم المجهرية لجرائم أو أغطية الغازات الكبيرة، وكان هناك مثال بارز على ذلك هو سطح " شاكلة " الذي وضع أصلاً من أجل الأجهزة الطبية التي تم تكييفها من أجل التطبيقات البحرية.

هياكل فوام مُلهمة

كما أن ماسحات الفطريات التي تحتوي على هيكل داخلي مخروط مستوحاة مباشرة من هيكل العظام المتناثر، وكثيرا ما تكون الرغاوي الفلزية المبكِّرة مصنوعة من الغازات المحتوية على الفلفل في الفلزات المتحركة أو من خلال تحطيم البارود المحتوية على مواد مضافة متطورة، غير أن التصنيع المضاف الحديث يسمح بضبط دقيق لحجم الشوكب، والتوزيع، مما يجعلهات الإجهادية المضغوطة أكثر قدرة على الاصنة.

Lotus Leaf-Inspired Self-Cleaning Metals

وقد انتقلت أسطح المعادن الفوقية من المختبر إلى المنتجات التجارية، ومن الأمثلة البارزة على ذلك أن المعاطف " التي تؤثر على الأرض " التي طورتها الشركة بالتعاون مع جامعة بون، والتي تكيفت فيما بعد مع الفلزات من قبل الباحثين في جامعة كامبريدج، حيث استخدمت تركيبات الليزر المائيات في تركيبات التسلسل الهرميكي الصغري والبقع النانية في المعدن، أصبحت السطح المعالجة متجانسة إلى حد بعيد المنال.

المستقبل

معادن متأهرة وذكية

والمصفوفات التالية هي معادن يمكن أن تستجيب بفعالية لبيئة هذه المركبات، وقد تستخدم بالفعل جميع أنواع الارتداد بالذاكرة مثل النيتول، ولكن الباحثين يقومون بتطوير تركيبات جديدة يمكن أن تتغير في درجات حرارة متعددة أو تجمع بين الاستشعار والاختراع، وعلى سبيل المثال، فإن فريقا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قد أنشأ " معدن متنوع " يمكن أن يتحول بين الدول المتشددة والممتثلة، على نحو تغيير مكامن البحر.

عمليات التصنيع البيولوجي

فالطبيعة لا تكتفي بتصميمات ملهمة؛ بل هي أيضاً أساليب تصنيع ملهمة، فعمليات النمو البيولوجي، مثل الطريقة التي يبني بها الموصل طبقة القصف بواسطة طبقة من درجة الحرارة المحيطة، تُبث في نسيج المعادن، وتُنتج فيها الآن تقنيات الصنع المُثلجية الصنعية والاختلال الكيميائي يمكن أن تُنشئ أفلاماً معدنية ذات هياكل مصغرة خاضعة للرقابة، مماثلة لنهج التوليدة.

الاستدامة والاقتصاد العلماني

فالتصميم غير المشبع بيولوجياً يتوافق مع الاستدامة، فالطبيعة تدور على ضوء الشمس، ولا تستخدم إلا الطاقة التي تحتاجها، وتعيد تدوير جميع المواد، وهذا يترجم إلى تصميم عناصر أقل استخداماً (من خلال التفشي الأمثل للأعصاب) وتمتد إلى أطول (من خلال أسطح التسخين الذاتي ومضادبة للتوتر)، ويمكن فصلها بسهولة وإعادة تدويرها في نهاية الحياة.

خاتمة

إن التخصصات الصناعية في مجال الهندسة الطبيعية التي تبلغ ٣,٨ مليار سنة من البحث والتطوير توفر مكتبة غير متماثلة لحلول المشاكل الهندسية، وفي هندسة المعادن، تؤدي مبادئ التصميم المزودة بأجهزة الإلهام الحيوي إلى حدوث انفراج حقيقي: فالأفق والهيكل الأقوى من التماثيل ذاتية الشبه بالعظمية، والسطحات التي تظل نظيفة ومقاومة للتآكل دون مواد كيميائية سامة، والغطاءات التي يمكن أن تصلحها، وتتسارع في اعتماد هذه الأفكار مع تكنولوجيات التكييف.

Further Reading & References]