الطباعة 4D: هندسة الجيل القادم من المادة القابلة للبرمجة

وقد كان التصنيع الإضافي مرادفا لعدة عقود، حيث كان من الممكن أن تكون عملية الصنع المضاف إلى ثلاثية الأبعاد، أي عملية بناء طبقات كل طبقة تنتج أشياء ثابتة، وتستحدث القفزة التالية بعدا رابعا: الزمن.

Understanding 4D Printing and Programmable Matter

ويرتكز الطباعة من نوع 4D على أساس الطباعة من 3D، ولكنه يستحدث عنصرا زمنيا، ويشمل تصميم الجسم مخططا داخليا للتغيير: بعد التلفيق، يمكن أن يطوي، ويوسع، ويعقد، ويتفاهم، ويخفف بمرور الوقت عندما يتعرض لسلسلة معينة من أنواع التحفيز، وهذا البعد " الوقت " لا يتعلق فقط بالتدهور أو الشيخوخة بل بالتحول الذكي والقابل للتنبؤ.

والمسألة القابلة للبرمجة هي المفهوم الأوسع: المادة التي يمكن أن تُعطى تعليمات لتغيير شكلها أو وظيفتها المادية. والطباعة 4D هي أحد أكثر الطرق واعدة في خلق مادة قابلة للبرمجة لأنها تسمح بمراقبة دقيقة للمكان الذي يحدث فيه التحول، ومتى يحدث، وكيف يحدث ذلك، والجوهر يكمن في المواد ذات الذكاء التي تتذكر حالتها الأصلية ويمكن أن تعود إلى تلك الدولة بعد التحلل، أو التي تعتمد أشكالاً جديدة تماماً عند بدء التشغيل.

المواد والتكنولوجيات

شب - ممرات

وبوليمرات الشيكات هي أكثر المواد الذكية دراسة في الطباعة 4D، ويمكن تشويه هذه البوليمرات إلى شكل مؤقت ثم العودة إلى شكلها الأصلي عندما تتعرض لتدفئة خارجية من النسيج، وفي معظم الأحيان الحرارة، وعلى عكس المحاور الزجاجية الشكلية، فإن أجهزة التحكم في التكاثر هي عوامل خفيفة الوزن، وغير مكلفة، ومن الأسهل معالجة آثار الظواهر المتطورة التي تطبع بواسطة النسيج.

المواد الهيدروفلورية والهيغروسكوبية

فالكبد المائي هو البوليمرات التي ترتفع استجابة للرطوبة، وهي مرشحة طبيعية للطباعة 4D لأن سلوكها الآخذ في الارتفاع يمكن أن يبرمجه بكثافة مختلفة من الوصلات أو بتضمين أجهزة مشغلة للهيزوتروفية، وعندما تطبع في هياكل متعددة الطب، يمكن أن تُعالج العناصر الهيدروجيلية أو تُطغى عندما تُمتص من الأنسجة.

المركبان المستجيبان والطباعة المتعددة الوسائط

ويحتاج العديد من تطبيقات الطباعة من 4D إلى مواد تستجيب لأكثر من حافز واحد، وقد طور الباحثون مركبين يجمعون بين البوليمرات الشكلية والجسيمات المغناطيسية (للإكتتاب عن بعد) أو مع نانووبات الكربون (للتحول المسبب كهربائياً) ويسمح للطباعة المتعددة المواد من 3 دال، مثل الترسبات المتعددة الأزياء أو المعالجة الرقمية للضوء، مع وجود نماذج متعددة الارتداد.

وتشمل المواد الناشئة الأخرى الفلور السائل المحتوي على مضاعفات السائل التي تتغير تحت الضوء فوق البنفسج والمركبات الحرارية الضوئية التي تحول الضوء إلى حرارة، مما يؤدي إلى ظهور الذاكرة، وينتقل الميدان إلى المواد التي يمكن أن تُعالج ذاتيا: إن الكبائن المجهرية التي تحتوي على عوامل الشفاء مُنِعَة في الطبعة، وتُطلق عندما تُشق المصفوفة، وهذا الدمج بين أربعة دي ومكونات صعبة التلقين.

آليات التحول: كيف تعمل الطباعة 4D

ويعتمد نجاح الطباعة ٤ دال على ثلاثة عناصر مترابطة: اختيار المواد، وتصميم النظم الجغرافية، والحافز المحفز، ويجب برمجة المواد أثناء عملية الطباعة - إما عن طريق مواءمة السلاسل الجزيئية على طول الاتجاه المطبوع أو عن طريق التنويع المكاني للكثافة المترابطة، مثلا، عندما يؤدي التفشي المزيف إلى " البوليمرات المخففة " .

إن تصميم القياسات الأرضية يؤدي دورا حاسما، إذ تستخدم محاكاة تحليلات العناصر النهائية للتنبؤ بكيفية تطويع أو توسيع الهيكل المتعدد المواد، حيث يتم وضع المواد المتحركة والمبتكرة والمناطق النشطة بصورة استراتيجية، وفي بعض التصاميم، تعمل المواد السلبية كإطار هيكلي بينما توفر المواد النشطة قوة الوصل، وعلى سبيل المثال، فإن شريحة مسطحة مطبوعة بسلاسل هودرجيل ستتحول إلى أنبوب.

إن التحكم في الحوافز هو الركيزة الثالثة، ففي حين أن الحرارة والمياه لا تزال أكثر المحفزات شيوعا، يقوم الباحثون باستكشاف الحقول المغناطيسية، والتيار الكهربائي، والتغييرات في الهيدروجينية، وحتى ردود الفعل الانزيمية، وبالنسبة للتطبيقات الهندسية العملية، فإن المحفزات التي لا تتصل بها مثل الحقول المغناطيسية أو المتناوبة تفضّل لأنها تسمح بالتفعيل عن بعد، وقد أظهر العمل الأخير في مجال المواد القابلة للبرمجة تحولات التي تُت:

التطبيقات الهندسية لـ 4D

ألف - الفضاء الجوي والهيكلات الفضائية

وتستفيد صناعة الفضاء الجوي استفادة كبيرة من الطباعة 4D وكثيرا ما تتطلب السواتل والمركبات الفضائية مكونات مدمجة أثناء الإطلاق والانتشار في المدار. ويمكن أن تشحن الطفرة المطبوعة، والهوائيات، والصفائف الشمسية، ثم تُحسب حرارة ذاتية تحت المكعب الحراري، مما يلغي الحاجة إلى خلايا ميكانيكية معقدة، ومحركات، ومورعات، مما يقلل من وزنها ونقاط الفشل التي تم اختبارها.

الأجهزة الطبية والمشروبات

ويمكن أن تتيح المواد المطبوعة ذات الصلعة 4D القابلة للتعديل درجة جديدة من الأجهزة الطبية، كما أن المواد التي تتوسع لتلائم سفن الدم عندما تنشط درجة حرارة الجسم يمكن أن تُسلَّم على نحو غير متفشي إلى حد أدنى، كما أن الاختلاط الجراحية التي تشدد تلقائيا مع مرور الوقت على إغلاق الجروح هي قيد التطوير، كما أن الازدحام الأورثوئي المستخرج من البوليميرات الشكلية يمكن أن يُدرَدَ في شكل مُ مُصَّدَة، ثمَّة، ثمَّة، ويُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُمُمُتُمُتَتُ، في شكلُتَتُ، في شكلُتُتُمُمُمُتُتُمُمُمُ، في شكلُمُمُمُ، في شكلُ،

الهياكل الأساسية المدنية وهياكل التأقلم الذاتي

وفي مجال البناء، فإن الباحثين قد أثبتوا أن هناك صفعات ملموسة من التنظيف الذاتي يمكن أن تتحول إلى حجارة أو دُفع عندما تتعرض للرطوبة، وهناك مشاريع أخرى تنطوي على إعادة طباعة تتوسع في إنشاء أجزاء معززة في المسامير أو شكل أصناف قابلة للحل بعد علاجات ملموسة، وبالنسبة للإغاثة في حالات الكوارث، يمكن طباعة مآوى الطوارئ من مواد ذاتية ذاتية ذاتية من نوع 4 دال.

الهياكل الآلية والخطط التكيفية

ويستغل الروبوتات الصغيرة الطابع المتوافق والمرن لأربعة دال من المواد المطبوعة، ويمكن أن يتم التلاعب بالأجسام دون إلحاق الضرر بها من الهيدروجيلات أو مناجم الشكل، كما أن اللوج في الأماكن المحصورة (مثل الأنابيب أو سفن الدم البشري) يمكن أن يتحقق بأربعة دفاتر مطبوعة لا تُحصى من خلال التفشي المغناطيسي.

التحديات والاتجاهات البحثية الحالية

مدة المواد وطولها

وفي حين أن المواد المطبوعة من نوع 4D تُظهر تحولات مثيرة للإعجاب، فإن موثوقيتها الطويلة الأجل لا تزال مصدر قلق، إذ يفقد تعدد المقاييس الاصطناعي ضغطاً على الشاشة بعد دورات متكررة بسبب مقص السلاسل الجزيئية أو تخفيف الضغط، وقد تتحلل الهدروغيلات بعد دورات متعددة من الدرعات، ويقوم الباحثون بتطوير مواد هجينة مثل شبكات البوليمرك التي تجمع بين التأثيرات الدهية المحسنة.

الدقة والمراقبة في التحولات

ومن غير المستبعد تماماً أن يتغير شكل جزء مطبوع من 4D في ظل ظروف العالم الحقيقي، كما أن التباينات الصغيرة في تركيب المواد أو توجيه الطباعة أو درجة الحرارة المحيطة يمكن أن تؤدي إلى انحرافات كبيرة عن الشكل المقصود، كما يجري تحسين أدوات المحاكاة المتعددة الفيزياء إلى نماذج حرارية وناقلة وميكانيكية، كما يجري تدريب نماذج محو الأمية على التحوّل التجريبي في البيانات المتعلقة بالتطورات.

Scalability and Manufacturing Throughput

أما أساليب الطباعة الحالية للأربعة دال فهي بطيئة ومحدودة على البطاطس الصغيرة، ومعظم المظاهرات تشمل طباعة التفريغ في بضع سنتيمترات في الدقيقة، أو DLP التي لها أحجام صغيرة للبناء، ولبلوغ الأهمية الصناعية، يقوم الباحثون بالتحقيق في تقنيات الطباعة المستمرة، مثل طباعة الماندريل المتناوبة للهياكل الوعاء وطباعة بطاقات النقل للسلع الورقية، ولكن الأسلحة الآلية المتعددة الضرائب المجهزة ذات المطبوعات ذات التكلفة لا تزال قادرة على البناء الكبير.

التكامل مع التكنولوجيات الأخرى

ومن المرجح أن تتضمن النظم المطبوعة في المستقبل 4D الإلكترونيات والمجسات وتخزين الطاقة، ويمكن أن تتيح المطبوعات الإلكترونية والمجسات وطباعة الآثار السلوكية مباشرة في الهياكل الشكلية تفعيلا كهربائيا، وقد تُظهر المولدات الكهربائية المتتالية المدمجة في 4D التي يمكن أن تُجمع الطاقة من التكوين نفسه، وقد أثبت الباحثون في الاتصالات وجود 4D في إطار البرنامج المطبوع.

The Road Ahead: Programmable Matter at Scale

ومع انتقال الطباعة من نماذج مختبرية إلى التطبيقات الصناعية، بدأت تظهر عدة اتجاهات، أولا، أصبحت قدرات الطباعة المتعددة المواد متاحة بدرجة أكبر، حيث تعرض الطابعات التجارية الآن مواد مركبة ذات ازدواجية التكسّر ومركبات مركبّة ذات خصائص متعددة المقاييس، وثانياً، تدفقات العمل الرقمية التي تدمج الترميز الأمثل في الطبقات ذات التصميم 4D، وهي تبسط إنشاء أجزاء معقدة يتعذر تصنيعها بصورة تقليدية.

ومن الاتجاهات الواعدة الجمع بين الطباعة من نوع 4D والاستخبارات الاصطناعية، في حين أن نماذج الإي آي التي تم تدريبها على بيانات المحاكاة يمكن أن تستكشف بسرعة حيز التصميم بالنسبة لعملية تحول معينة - تحديد أفضل توزيع للمواد والأحوال التي تؤدي إلى إحداثها، مما يقلل بدرجة كبيرة من سرعة تطور التجارب والأعراف التي لا تزال تبطئ التنمية، وثمة مفهوم آخر هو المواد " الحية " :

وتتوخى الرؤية الطويلة الأجل للموضوع القابل للبرمجة أشياء يمكن إعادة تشكيلها على كرسي القيادة الذي يصبح طاولة، وهو أنبوب يضبط قطره على أساس معدل التدفق، وهو جناح يتغير شكله خلال مراحل مختلفة من الرحلة. والطباعة 4D هي أكثر الطرق عملية حتى الآن لخلق هذه المواد، وكما لاحظ [الإطار: 0] [FLT]] التقدم في مجلة علوم المواد [التحول: 4]،

خاتمة

إن النتائج التي توصل إليها المعهد الوطني للإحصاء تمثل تحولاً أساسياً في كيفية التفكير في المواد والتصنيع، إذ إن هذا التطور يمكن أن يؤدي إلى إحداث عناصر أكثر خفة وأكثر تنوعاً وأكثر كفاءة من النظراء الثابتين، فالتآزر بين المواد الذكية والتصميم الحاسوبي والطباعة المتعددة المواد يؤدي بالفعل إلى حدوث انفراجات في الفضاء الجوي والطب والهياكل الأساسية والآليات.