عبوة بلاستيكية «تفهمها» آلة الفرز.. تقنية جديدة تعيد تصميم مستقبل إعادة التدوير

باحثون يدمجون هندسة العبوة مع الاستشعار بالتيراهيرتز لتسهيل التعرف على البلاستيك بعد التخلص منه.. خطوة جديدة نحو اقتصاد دائري يبدأ من مرحلة التصميم

قد تبدأ مشكلة إعادة تدوير العبوة البلاستيكية قبل أن تصل أصلًا إلى مصنع التدوير.
فعبوة الطعام التي تبدو شفافة وبسيطة للمستهلك قد تصبح بعد التخلص منها جزءًا من مشكلة أكثر تعقيدًا: كيف يمكن لآلة الفرز أن تعرف نوع البلاستيك الذي صنعت منه بدقة؟

هذه المشكلة تزداد أهمية مع انتشار عبوات المواد الغذائية المصنوعة من أنواع مختلفة من البلاستيك، بينها البولي إيثيلين تيرفثالات (PET) والبولي ستايرين (PS)، إذ يمكن أن تتشابه بعض العبوات الشفافة بصريًا رغم اختلاف تركيبها وطرق إعادة تدويرها.

والآن يقترح باحثون في اليابان حلًا مختلفًا: بدل الاعتماد على تطوير أنظمة الفرز وحدها، لماذا لا يتم تصميم العبوة نفسها بحيث تصبح أسهل في التعرف عليها بعد التخلص منها؟

فريق بحثي من معهد شيباورا للتكنولوجيا، بالتعاون مع جامعة توهوكو، طور إطارًا لتصميم عبوات بلاستيكية يدمج تقنية الاستشعار بالتيراهيرتز (THz) مع هندسة شكل العبوة واحتياجات المستهلك وكفاءة النقل.

الدراسة نُشرت في مجلة Results in Engineering.

من آلة الفرز إلى تصميم العبوة

قاد البحث جونيا يوشيهارا، طالب الماجستير، بالتعاون مع الأستاذين تاداو تانابي وميتسوهيرو شيجيري من قسم الهندسة والتصميم في معهد شيباورا للتكنولوجيا في اليابان.

وانطلق الباحثون من فكرة بسيطة لكنها مهمة في الاقتصاد الدائري: إذا كانت العبوة مصممة بحيث تسهل عملية التعرف إلى مادتها، فإن عملية إعادة تدويرها يمكن أن تبدأ قبل وصولها إلى محطة الفرز.
وتركزت التجارب على عبوات شفافة تستخدم لتعبئة نودلز السوبا اليابانية.

وتتميز هذه العبوات بأنها عملية وخفيفة وقابلة للتكديس، لكنها في الوقت نفسه تمثل تحديًا لعمليات الفرز الآلي بسبب تشابه مظهر المواد البلاستيكية الشفافة.

لماذا تقنية التيراهيرتز؟

تقنية التيراهيرتز تعتمد على موجات كهرومغناطيسية تقع بين نطاق الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء في الطيف الكهرومغناطيسي.

ويمكن استخدام هذه الموجات للحصول على معلومات عن المواد لا تظهر بالضرورة من خلال العين أو الصور التقليدية.

وفي سياق إعادة تدوير البلاستيك، يمكن أن تساعد إشارات التيراهيرتز في تمييز المواد البلاستيكية وفق خصائصها المادية.

لكن الدراسة اكتشفت أن المشكلة لا تتعلق بالمادة وحدها، فشكل العبوة وسطحها يمكن أن يؤثرا أيضًا في الإشارة التي تصل إلى جهاز الاستشعار.

وهنا بدأت الفكرة الأكثر ابتكارًا في البحث: إذا كان شكل العبوة يؤثر في قدرة النظام على التعرف إليها، فيمكن هندسة الشكل نفسه لمساعدة نظام الفرز.

اختبار حقيقي مع المستهلكين

لم يكتف الباحثون بالتجارب المعملية، بدأت الدراسة بتجربة جمع مجتمعية في مدينة إيساكي بمحافظة غونما اليابانية، حيث أحضر السكان عبوات طعام شفافة مغسولة إلى موقع جمع مزود بنظام آلي للتعرف على المواد.

وشملت التجربة 383 عينة، تمكن النظام من تحديد معظم العينات بصورة صحيحة، لكنه أخطأ في تصنيف بعض العبوات.

وعند تحليل النتائج، وجد الباحثون أن الاختلافات في شكل العبوة وبنيتها السطحية يمكن أن تسهم في تغير إشارات التيراهيرتز، وهو ما يؤثر في عملية التعرف إلى المادة.

واللافت أن النموذج المستخدم في الاختبار الميداني لم تتم إعادة تدريبه أثناء عملية الجمع، ما أتاح للباحثين اختبار أدائه في ظروف أقرب إلى الواقع بدلًا من تحسينه باستمرار أثناء التجربة.

عندما يصبح شكل العبوة جزءًا من عملية الفرز

انتقل الباحثون بعد ذلك إلى سؤال أكثر تحديدًا:كيف يمكن لشكل العبوة أن يجعل بالتيراهيرتز أكثر استقرارًا؟

صمم الفريق أشكالًا مختلفة للسطح السفلي للعبوة، ثم قاس تأثيرها في انتقال إشارات التيراهيرتز، إلى جانب استخدام تحليلات تعتمد على الصور لقياس مدى تعقيد السطح.

وأظهرت النتائج أن التفاصيل الموجودة في قاع العبوة يمكن أن تؤثر في القياسات.

فالأضلاع، والانحدارات، والأخاديد، والأسطح غير المستوية قد تسبب اختلافات في الإشارة، ما يجعل عملية التعرف أقل استقرارًا.

لكن الباحثين وجدوا أن وجود منطقة مسطحة ومستقرة في مركز القاع يمكن أن يوفر مساحة أكثر ملاءمة لقياس التيراهيرتز، خصوصًا عندما تكون القياسات حساسة لشكل السطح.

عبوة تجمع بين إعادة التدوير والاستخدام اليومي

بعد تحديد الخصائص الأكثر ملاءمة، طور الفريق أربعة نماذج أولية لعبوات السوبا.

وكان أحد التصميمات أكثر نجاحًا في تحقيق التوازن بين سهولة التعرف إلى المادة وبين متطلبات الاستخدام اليومي.
وجمع التصميم بين:
• نمط مثلثي منتظم في الجزء السفلي.
• منطقة مركزية مسطحة تساعد على استقرار قياس التيراهيرتز.
• سطح غير مستوٍ يساعد على منع التصاق النودلز أو تعرضها للرطوبة الزائدة.
• أماكن مخصصة للصلصة والتوابل.
• تصميم يسهل الإمساك بالعبوة أثناء عملية الجمع والفرز.
وهنا تكمن أهمية التجربة: لم يطلب الباحثون من المستهلك التضحية بوظيفة العبوة من أجل إعادة تدويرها، بل حاولوا جعل خصائص إعادة التدوير جزءًا من تصميمها الأصلي.

التصميم يساعد الآلة.. والنقل أيضًا

لم تتوقف الدراسة عند قدرة العبوة على اجتياز عملية التعرف، فقد أخذ الباحثون أيضًا في الاعتبار كيفية تكديس العبوات ونقلها بعد الاستخدام.

وأظهر التصميم النهائي إمكانية ترتيب عدد أكبر من العبوات أثناء النقل مقارنة بالعبوة التقليدية المستخدمة للمقارنة.

وهذا يعني أن تحسين التصميم يمكن أن يخدم أكثر من مرحلة في دورة حياة المنتج:
الاستخدام → الجمع → التعرف → الفرز → النقل → إعادة التدوير.
وبالتالي، فإن التصميم لا يعالج مشكلة واحدة فقط، وإنما يمكن أن يساهم في تحسين سلسلة إدارة العبوة بعد انتهاء استخدامها.

المستهلك لم يرَ التصميم كحل تقني غريب

أجرى الباحثون أيضًا استطلاعًا صغيرًا لتقييم النموذج المختار، وأظهرت النتائج انطباعات إيجابية بشأن عدد من خصائص العبوة، من بينها المتانة وسهولة التعامل والمظهر المبتكر.

وهذه النقطة مهمة في تطوير المنتجات المستدامة؛ لأن التصميم الذي يسهل إعادة تدويره لكنه يصبح غير عملي أو غير مقبول للمستهلك قد يفشل عند استخدامه على نطاق واسع.

لذلك حاول الفريق تحقيق معادلة أكثر تعقيدًا: عبوة سهلة الاستخدام + قابلة للتكديس + عملية للمستهلك + أكثر قابلية للتعرف الآلي بعد التخلص منها.

إعادة التدوير تبدأ من المصنع وليس محطة الفرز

تكشف الدراسة عن تحول مهم في التفكير بشأن الاقتصاد الدائري، فإعادة التدوير عادةً ما تُناقش باعتبارها مشكلة تخص مرحلة ما بعد الاستهلاك: جمع المخلفات، وفرزها، وتنظيفها، ومعالجتها، ثم تحويلها إلى مواد جديدة.

لكن هذه الدراسة تقترح أن جزءًا من الحل يمكن أن يبدأ قبل بيع المنتج للمستهلك.

فإذا كان من المعروف أن شكل العبوة يؤثر في قدرة أجهزة الفرز على تحديد مادتها، فإن هندسة الشكل لتسهيل الاستشعار تصبح جزءًا من هندسة إعادة التدوير نفسها.

وبذلك لا تعود قابلية إعادة التدوير مجرد خاصية يتم تقييمها بعد تصنيع المنتج، بل تصبح عنصرًا يدخل في تصميمه منذ البداية.

من البلاستيك «القابل للتدوير» إلى البلاستيك «القابل للتعرف»

وهنا تظهر زاوية أوسع يمكن أن تكون مهمة لصناعة التغليف، فوجود رمز يشير إلى نوع البلاستيك لا يعني بالضرورة أن العبوة ستصل إلى المسار الصحيح لإعادة التدوير.

في المقابل، فإن أنظمة الفرز الآلي تحتاج إلى التعرف الفعلي إلى المادة، خصوصًا عندما تكون العبوات متشابهة في الشكل واللون والشفافية.

لذلك يمكن أن يصبح التصميم من أجل التعرف (Design for Identification) جزءًا من مفهوم أوسع هو التصميم من أجل إعادة التدوير (Design for Recycling) .
وهذا التحول قد يكون مهمًا بشكل خاص مع توسع أنظمة الفرز الآلي والذكاء الاصطناعي وتقنيات الاستشعار المستخدمة في مرافق استرداد المواد.

ما الذي يمكن أن تعنيه التقنية لمستقبل التغليف؟

يرى الباحثون أن منهجهم يجمع بين استشعار التيراهيرتز، والتعلم الآلي، وتحليل الصور، وهندسة المنتج لتحسين قدرة العبوة على التعرف إلى مادتها بعد التخلص منها.

لكن النتائج لا تعني أن جميع العبوات البلاستيكية أصبحت جاهزة فورًا لهذا النوع من الفرز.
فالبحث ركز على حالة محددة، هي عبوات السوبا الشفافة، وما تزال هناك حاجة إلى اختبار المنهج على أنواع مختلفة من العبوات والمواد والأشكال وظروف التشغيل الواقعية.

كما أن نجاح التقنية على نطاق صناعي سيتطلب دراسة التكلفة والسرعة والموثوقية والتوافق مع خطوط الفرز الحالية.

ومع ذلك، تقدم الدراسة فكرة تتجاوز العبوة التي جرى اختبارها: بدل أن نحاول فقط بناء آلات أذكى لفرز المنتجات التي صممناها بطريقة عشوائية، يمكننا أيضًا أن نصمم المنتجات نفسها لتكون أسهل في الفهم والفرز وإعادة التدوير.

وهذه الفكرة تمثل جوهر الاقتصاد الدائري: ألا يبدأ التفكير في مصير المنتج عند لحظة التخلص منه، بل منذ اللحظة التي يقرر فيها المصمم كيف سيُصنع، وكيف سيُستخدم، وكيف سيُنقل، والأهم.. كيف سيعود إلى دورة الإنتاج بعد انتهاء عمره الأول.

الدراسة منشورة في مجلة Results in Engineering تحت عنوان «تصميم حاويات بلاستيكية لتسهيل إعادة التدوير باستخدام تقنية التيراهيرتز».