The next Frontier: 4D Printing in Sports Surfaces

فبوصف الأداء الرياضي يتطلب دفع حدود القدرة البشرية، فإن البيئات التي يتدرب فيها الرياضيون ويتنافسون عليها يجب أن تتطور جنبا إلى جنب، كما أن الأسطح الرياضية التقليدية - أي أسطح صناعية، أو محاكم خشب صلبة، أو خصائص ثابتة غير قابلة للتكييف مع الظروف المتغيرة، أو أنماط الاستخدام، أو احتياجات رياضية فردية، مما أدى إلى إجراء بحوث في مجال الطباعة المتقدمة، مع ظهور ضغط ثابت على نحو غير متغير.

فهم المواد المطبوعة والمذكورة

كما أن طباعة المادة ٤ دال تستند إلى تقنيات التصنيع المضافة للطباعة ٣ دال ولكنها تضيف بعد الزمن، وبعد الطباعة الأولية، فإن الجسم يتحول برنامجا استجابة لحافز بيئي، وهذا التحول يمكن أن يتحقق بواسطة مواد ذكية معروفة أيضا بالمواد النشطة أو المستجيبة، وتشمل الطبقات الرائدة من المواد الذكية المستخدمة في الطباعة ٤ دال البوليمرات الشكلية، والهيدروكلات التي تتضخم في المياه، وتقنيات الإجهاد

التطبيقات الحالية والإمكانيات الناشئة

بؤر التعقب

وتحتاج الأحداث في المسارات والميدان إلى خصائص سطحية دقيقة لمختلف التخصصات، إذ إن ارتفاع البصمات من المباني يتطلب درجة عالية من الحساسية من أجل تحقيق أقصى قدر من العودة إلى الطاقة، بينما يتطلب القفز الطويل سطحا أكثر مرونة خلال مرحلة الهبوط، كما أن الطباعة 4D تتيح إنشاء أقسام تتبعية تكيف متغيراتها من حيث التأثير، مثلا يمكن طبع مسار مع طبقات الإدارة العليا التي تصعب عند التعرض لدرجات أعلى من الحرارة التي تولدت أثناء العودة.

نظم السلاحف المستجيبة

فالعشب الطبيعي كان دائماً المعيار الذهبي للقاحات وكرة القدم، ولكنه يتطلب صيانة مستمرة ويتصرف بشكل غير سليم مع الظروف المناخية القصوى، ويمكن أن تؤدي حقول التصفير الاصطناعية ذات الطباعة ذاتياً بدرجة أكبر إلى خلط سلوك العشب الطبيعي، ويمكن برمجة الألياف لتمشيطها تحت الأمطار الغزيرة لخلق سطح أكثر سلاسة يحول دون تجميع المياه، ثم ترتفع مباشرة مع الطباعة الحقل في الميدان لتوفير كهرباء أفضل.

سطح المحكمة الذكية

ويمكن أن تستفيد شركات كرة السلة والتنس ومحاكم كرة الطائرة من الطباعة بجملة طرق فريدة، وفي كرة السلة، فإن معامل الاحتكاك في الطابق السفلي له أهمية حاسمة في القطع والتوقف، إذ أن المحكمة التي تعمل بحجم 4D يمكن أن تزيد من سعة السطح في المناطق المرتفعة الارتفاع أثناء المباراة، ثم تسهل أثناء فترات الصيانة لتقليل الارتداد، ويمكن تعديل سرعة السطح في شكل القفزة المتوسطة مثلاً.

استحقاقات الأداء والسلامة

الوقاية من الإصابات من خلال الاستجابة الدينامية

ومن أكثر الحجج إلحاحاً على السطح المطبعي 4D إمكانية الحد من الإصابات المتصلة بالرياضة، وتفرض الأسطح الثابتة استجابة واحدة تناسب كل شيء لقوات التأثير، مما يؤدي إلى زيادة في استخدام المحاكم الصلبة أو عدم استقرار في الميادين غير المستقرة، ويمكن أن يستجيب سطح الأرض 4D لنمط التحميل المحدد لكل حركة، وعلى سبيل المثال، عندما يقوم لاعب كرة قدم بخفض حاد، يمكن أن يزيد مستوى الضغط المحلي

التصادم والجريم الأمثل

فالخطبة هي سيف مزدوج: فالقليل من الدلائل إلى الانزلاق، بينما يمكن أن يسبب الكثير من العصيان والتناوبي.

امتصاص الطاقة وتصعيدها

ويمكن أن تؤدي [السطحات] كل الطاقة إلى زيادة في حجمها، إذ يمكن أن تؤدي أنشطة مثل تشغيلها أو القفز إليها قدرة السطح على استيعاب الطاقة المهددة بالصدمة والعودة إلى الأداء بشكل مباشر، كما أن طباعة 4D تسمح للمهندسين بتصميم هياكل ذات طابع معتدل، مع وجود خصائص متغيرة ذاتية تستند إلى القوة التطبيقية، ويمكن أن يكون للخط الذي يستخدم في تشغيل المسافات طبقة عالية متوافقة مع المطاط.

الخدمات المتعلقة بالوساطة والصيانة

مواهب السطح المصممة

ويمكن أن يطبع كل رياضي بميزات حيوية فريدة، كما أن لكل رياضة احتياجات سطحية محددة. فالطباعة ٤ دال تتيح تكييفا غير مسبوق، ويمكن أن تطبع المحكمة بالنسبة لفريق كرة سلة محترف بمناطق تضاهي أسلوب اللعب: المناطق الأكثر مرونة تحت السلة، التي تُستخدم فيها مناطق الهبوط المتواتر، والمناطق المتفاوتة على طول خط ثلاث نقاط، والمناطق الانتقالية التي تدمج فيها الخواص.

تحسين النفس والحد من التأديب

وتحتاج مساحات رياضية تقليدية إلى صيانة مستمرة: إعادة التصفيق، والتنظيف، والتفريغ، والعلاج الكيميائي.() ويمكن أن تدمج هذه الظواهر الجذابة في إطار الدراسة التي تجرى على أساس الحرف المضغوط، والتي تقلل من قيمة المواد الكيميائية التي تُستخدم في إطار الصبغة المضغوطة، والتي تُستخدم في إطارها المواد الميكانيكية ذات البصمة الذكية.()

التحديات التي تواجه التغلب على التحديات

مدة المواد وتكاليفها

ورغم النتائج المبشرة بالمختبرات، فإن العديد من العقبات التي لا تزال قائمة قبل أن تصبح مساحات رياضية مطبعة من نوع 4D موزعة، أما المواد الذكية المتاحة حالياً، مثل البوليمرات الشكلية، فيمكن أن تتحلل بعد أن تفقد المركب المركب المتسارع استجابتها بعد مئات الدورات، أما بالنسبة لمجال كرة القدم الذي يستضيف عشرات الألعاب في الموسم، فإن هذا المقياس غير كاف.

Scalability and Integration

إن زيادة الطباعة من 4D إلى ميادين رياضية كاملة الحجم تشكل تحديات هندسية، ومعظم الطابعات الحالية التي تبلغ 4D لا تملك إلا كمية محدودة من المتر المركّب، وطبع قسم ميداني للكرة القدم حسب الأقسام، ثم الانضمام إليها دون فقدان الخواص الدينامية، يتطلب أيضاً وضع استراتيجيات دقيقة للمواءمة والربط، كما أن نظم التحكم في البصمات الكهربائية والحرارية اللازمة لتفعيل بعض المواد الذكية (مثلاً، تنسيق عناصر السلامة)

مستقبل الهياكل الأساسية للرياضة

ومن المرجح أن تصبح الطباعة من نوع 4D حجر الزاوية في الهياكل الأساسية الرياضية الذكية، وأن تتصور ملعباً كاملاً يستكمل خصائصه السطحية في الوقت الحقيقي، ويضع بيانات الاستشعار الحي من الحركات اللاعبة ومراكز الطقس، ويضع نفس المجال تطابقاً بين المواد ذات التأثير الحساس في الصباح، ويضع التدريب على الرياضيين الشباب في فترة ما بعد الظهر مع الظروف السطحية المثلى.