نجح باحثون في ابتكار مادة جديدة قوية مثل الفولاذ ولكنها خفيفة مثل الرغوة، وقد استغلوا قوة الذكاء الاصطناعي وطابعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة لضبط شكلها، بهدف تحقيق أقصى قدر من القوة دون إضافة وزن إلى المادة.
وبحسب المهندسين فإن اختراعهم قد يكون له تأثيرات كبيرة على تصنيع العناصر التي تتطلب القوة والخفة، وخاصة المركبات التي تهدف إلى تحسين كفاءة استهلاك الوقود.
ساهم البروفيسور توبين فيليتر من جامعة تورنتو في قيادة هذا الجهد، حيث جلب معه سنوات من الخبرة في السلوك الميكانيكي للمواد.
وقد عمل هو وفريقه جنبًا إلى جنب مع زملائه الذين استكشفوا طرقًا لبناء هياكل صغيرة الحجم ذات ميزات مرتبة بدقة.
ونشرت الدراسة في المجلة الإلكترونية Advanced Materials .
البحث عن الشكل المناسب
بدأ الباحثون باختبار الأشكال المحتملة من خلال المحاكاة الحاسوبية، ومحاولة توزيع الضغوط المطبقة بالتساوي.
وهذا يعني تقليل النقاط الضعيفة، والتي غالبا ما تسبب انهيارات مفاجئة في الهياكل الخفيفة الوزن التقليدية.
وقال بيتر سيرليس، الباحث في مجال الهندسة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “لم يقتصر الأمر على تكرار الأشكال الهندسية الناجحة من بيانات التدريب؛ بل تعلم أيضًا من التغييرات التي أجريت على الأشكال والتي نجحت والتي لم تنجح، مما مكنه من التنبؤ بهندسة شبكية جديدة تمامًا”.
لقد اعتمدت مرحلة التخطيط على خوارزمية تعلم آلي تعلمت كيف يتحمل كل شكل الضغط. ولكنها لم تفعل أكثر من مجرد إعادة صياغة الأفكار القديمة.
استخدام الذكاء الاصطناعي لتصميمات مادية أفضل
غالبًا ما تفرض المواد التقليدية حلًا وسطًا بين القوة والمتانة، يمكن للعديد من المواد الشبيهة بالسيراميك أن تتحمل أحمالًا كبيرة ولكنها تتحطم بسهولة، أراد الفريق شيئًا يوازن بين الاثنين.
لقد اعتمدوا على تصميمات ذات هندسة نانوية للوصول إلى تلك النقطة المثالية، ومن خلال دمج الأنماط الهندسية بعناية على نطاق مجهري، يمكن لهذه الهياكل تحقيق قدرات تحميل أعلى من المواد السائبة من نفس الكثافة.
الاستفادة من الطباعة ثلاثية الأبعاد
وبمجرد أن اقترحت الخوارزمية أفضل الأشكال، استخدم الباحثون طابعة ثلاثية الأبعاد متخصصة تعمل مع البوليمرات على نطاقات دقيقة بشكل لا يصدق.
وبعد ذلك، قاموا بخبز هذه الشبكات المطبوعة لترك الكربون خلفهم، وكانت النتيجة عبارة عن شبكة نانوية تقاوم الضغوط العالية دون أن تنهار.
وتسمح الآلات المتقدمة بطباعة ملامح دقيقة في جزء من البوصة، وهو ما يفتح الباب أمام أشكال هندسية أكثر تعقيداً، وهذا يعني أن العلماء يستطيعون الآن صنع أشكال لم يتخيلوها في السابق إلا في المحاكاة.
مادة الذكاء الاصطناعي لتحسين كفاءة الطيران
وقال فيليتر: “نأمل أن تؤدي هذه التصاميم الجديدة للمواد في نهاية المطاف إلى إنتاج مكونات خفيفة الوزن للغاية في تطبيقات الطيران، مثل الطائرات والمروحيات والمركبات الفضائية، والتي يمكنها تقليل الطلب على الوقود أثناء الطيران مع الحفاظ على السلامة والأداء”.
إذا كانت المركبة تحتاج إلى كمية أقل من الوقود، فإن الانبعاثات تنخفض، جنبًا إلى جنب مع تكاليف التشغيل.
وأوضح أحد الباحثين أن استبدال أجزاء التيتانيوم بهذا البديل الأخف وزناً قد يؤدي إلى توفير نحو 21 جالوناً من الوقود سنوياً لكل 2.2 رطل (80 لتراً لكل 10 كيلوجرامات) من المواد المستبدلة، وهذا يتراكم على مدى رحلات متعددة ورحلات متكررة عبر العالم.
التوسع خارج مجال الفضاء
وفي حين أن التطبيقات الأكثر وضوحا تكمن في مجال الطيران والسفر إلى الفضاء، فإن الصناعات الأخرى يمكن أن تستفيد أيضا من هذه المواد الخفيفة للغاية والقوية للغاية .
على سبيل المثال، يسعى قطاع السيارات باستمرار إلى إيجاد طرق لتحسين كفاءة الوقود ومدى البطارية في المركبات الكهربائية. ومن الممكن أن يكون للهيكل الأخف، وزناً والمكونات الهيكلية تأثير ملموس على الأداء.
وتشكل التكنولوجيا الطبية مجالاً واعداً آخر، ويستكشف الباحثون كيف قد تؤدي هذه المواد ذات الهندسة النانوية إلى إنتاج أطراف صناعية وزرعات وأجهزة طبية أقوى وأخف وزناً.
إن تقليل وزن المواد مع الحفاظ على القوة قد يجعل المعدات الطبية القابلة للارتداء أكثر راحة وفعالية.
التوسع والمضي قدمًا
إن التحدي التالي يتمثل في إنتاج قطع أكبر حجماً دون خسارة الفوائد التي يمكن الحصول عليها في المختبر، ويحتل التوصل إلى كيفية تصنيع كميات أكبر من هذا الهيكل القائم على الكربون بتكلفة معقولة مكانة عالية على جدول الأعمال.
ويخطط المهندسون أيضًا لتجربة الاختلافات التي تحافظ على الصلابة مع تخفيف المزيد من الوزن.
يعد كل تصميم جديد فرصة أخرى للخوارزمية لتحسين مهاراتها التنبؤية، مما قد يؤدي إلى رفع حدود القوة بشكل أكبر.
المواد المصممة بالذكاء الاصطناعي والمستقبل
تشكل هذه الرؤى الجديدة جزءًا من جهد مستمر لإعادة التفكير في كيفية أداء المواد، يعد تقليل الوزن هدفًا رئيسيًا للعديد من الصناعات، من تصنيع السيارات إلى بناء توربينات الرياح، ويقدم هذا العمل أداة قوية لتلبية هذه الاحتياجات.
إن إدخال الذكاء الاصطناعي في عالم المواد يُظهِر أن الحدود القديمة يمكن أن تُزاح جانباً في بعض الأحيان، وبمجرد توسيع نطاقها، قد تظهر هذه الهياكل من الجيل التالي في أماكن غير متوقعة، مما يوفر الأمان دون فرض عقوبات الوزن المعتادة.
