پژوهش و تالیف:هلیا رستگار
تولید محصولات برنامه پذیر با چاپ چهار بعدی
ترکیب پایداری محیطی با اتوماسیون پیشرفته، به لطف تحقیقات جدید پژوهشگران کره جنوبی به نقطه عطف جدیدی رسیده. با تبدیل گوگرد زبالههای صنعتی به رباتهای پرینت شدهی چهاربعدی، یک تیم تحقیقاتی از موسسه تحقیقات فناوری شیمیایی کره (KRICT)، دانشگاه هانیانگ و دانشگاه سجونگ روشی را برای بازیافت یک آلاینده جهانی به یک منبع با ارزش بالا معرفی کردند. این پیشرفت نهتنها به حجم عظیم محصولات جانبی صنعتی میپردازد، بلکه با گنجاندن بعد زمان (بعد چهارم) در تولید افزایشی، حوزه رباتیک نرم را نیز گسترش میدهد.
محقق اصلی، کیم دانگ-کیون (چپ) و محقق فوق دکترا، هوانگ جائه-هیوک، که فناوری چاپ چهاربعدی قابل بازیافت را با استفاده از گوگرد زائد پالایشگاههای نفت توسعه دادهاند.
معضل صنعتی: ۸۵ میلیون تن زباله
یکی از عواملی که این تحقیق بسیار به آن وابسته است، چالش محیطی در صنعت پالایش نفت است. طبق آمار سال ۲۰۲۴، بهصورت سالانه در فرایند پالایش حدود ۸۵ میلیون تن فراورده جانبی گوگرد تولید میشود. درحالیکه گوگرد کاربردهای صنعتی دارد، مقدار عظیمی که تولید میشود باعث میشود که بهعنوان ضایعات صنعتی شناخته شود. پژوهشگران مدت زیادیست “پلاستیک گوگردی” را بهعنوان یک محصول نهایی برای بازیافت این محصولات جانبی در نظر دارند؛ چراکه این پلیمر ماهیتی سازگار با محیطزیست دارد و دارای ویژگیهایی ازجمله شفافیت مادون قرمز و توانایی جذب فلزات سنگین است.
بااینحال، پلاستیکهای گوگردی سنتی یک مانع فنی برای چاپ سهبعدی داشتند. ساختار داخلی متراکم آنها سبب سیالیت بسیار پایین آنها میشد که در نتیجه باعث مسدود شدن نازلهای دستگاه چاپ میشد. برای حل این مشکل، تیم تحقیقاتی کرهای، رهبری شده توسط پژوهشگر کیم دانگ-کیون، شبکه داخلی آزادتر و با تراکم کمتری برای پلیمر گوگردی طراحی کرد. این اصلاح با موفقیت باعث بالا رفتن سیالیت ماده شد که سبب شد ماده بتواند بهسادگی از نازل خارجشده و بهصورت شکلهای پیچیده دربیاید.
بعد چهارم: زمان
برای درک دستیافتههای پژوهشگران کرهای، باید حرکت از سمت چاپ سهبعدی به چاپ چهاربعدی را درک کنیم. چاپ سهبعدی با استفاده از یک مدل دیجیتال با اضافه کردن مواد بهصورت لایهلایه به یکدیگر، یک جسم ایستا میسازد. درحالیکه چاپ سهبعدی به خاطر تواناییش در تولید هندسههای خاص و پیچیده یک تکنولوژی انقلابی است، پس از چاپ شدن، جسم نهایی صلب و غیرقابل تغییر است.
چاپ چهاربعدی، بعد زمان را بهعنوان یک متغیر معرفی میکند. در این مدل، سازهی چاپشده با هدف پویا و قابل تطبیق بودن طراحی شده. این سازه توانایی ذاتی این را دارد که با قرار گرفتن در یک محیط مشخص، شکل، کاربرد و ویژگیهای فیزیکیاش را تغییر دهد. این محرکها به عنوان “برنامه”ای عمل میکنند که نشان میدهد جسم با گذشت زمان چگونه تغییر میکند.
محرکهای معمول:
- محرک فیزیکی: تغییر دما (سرما/ گرما)، نور (فرابنفش یا مادون قرمز) و میدان مغناطیسی
- محرک شیمیایی: pH و رطوبت
تیم تحقیقاتی کرهای با تولید اولین تکنولوژی چاپ چهاربعدی با استفاده از پلیمرهای گوگردی به نقطه عطف بزرگی رسید، چراکه این پلیمرها به چند نوع محرک پاسخ میدهند: دما، نور و میدانهای مغناطیسی.
حافظه شکلی و خود جوش دهندگی
هوشمندی این رباتهای پایهگوگردی در حافظه شکلی آنها نهفته است. با کنترل کردن ترکیب درصد گوگرد و آزادی ساختار داخلی، پژوهشگران میتوانند یکشکل دائمی به ماده بدهند. حتی اگر ربات به یکشکل موقتی دربیاید، شکل اولیه خود را به یاد دارد و با قرار گرفتن تحت تأثیر محرک، به آن حالت بازمیگردد.
یک نوآوری چشمگیر از گروه KRICT اثر جوشکاری لیزری است. با قرار گرفتن ماده در معرض نوعی لیزر خاص، پیوندهای داخلی شیمیایی بهطور موقت شکسته شده و سپس دوباره تشکیل میشوند. این اتفاق باعث اثر جوشکاری میشود که اجازه میدهد اجزاءِ جدا از یکدیگر بدون نیاز به عوامل چسبنده، به هم متصل شوند.
این توانایی سبب میشود که بتوان ساختارهای چهاربعدیای تولید کرد که مانند بلوکهای درهمتنیده یا لگو به هم متصل باشند. در حال حاضر، الگوریتمهای طراحی محاسباتی به محققان اجازه میدهند توزیعهای پیچیده چند مادهای دیجیتال را بین این بلوکهای درهمتنیده تقسیم کنند، که میتوانند جداگانه چاپشده و سپس در یکشکل کلی مونتاژ شوند.
مثالها و کاربردهای رباتیک چهاربعدی
بهترین نمایش کاربرد عملی چاپ چهاربعدی، توسط نمونههای اولیهای صورت گرفت که توسط گروه کرهای و محققان دیگر ارائه شدند.
- ربات نرم با محرک مغناطیسی و ابعاد کمتر از یک سانتیمتر
با ترکیب پلاستیک گوگردی بهینهسازی شده با ۲۰% پودر آهن، محققان موفق به تولید ربات نرمی با ابعاد کمتر از ۱ سانتیمتر شدند. اضافه کردن پودر آهن، به ربات اجازه داد که به میدانهای مغناطیسی واکنش نشان دهد و خاصیت حافظه شکلی ماده را تقویت کرد. این ربات، نیازی به باتری یا موتور داخلی ندارد، بلکه میتواند با دنبال کردن حرکات یک آهنربای خارجی، با دقت بسیار زیادی حرکت کند. این میکرو-رباتها پتانسیل بسیار زیادی برای استفاده شدن در پروسههای پزشکی غیرتهاجمی دارند؛ به صورتی که میتوانند با مسیریابی در رگهای باریک انسان دارورسانی کنند یا تعمیرات انجام دهند.
- SEALicone: آداپتورهای دوزیست
درحالیکه این تحقیق روی بازیافت زباله تمرکز میکند، حوزهی گستردهتر چاپ چهاربعدی شامل دستگاههایی مانند SEALicone است. SEALicone یک ربات نرم دوزیست است که از بچه فوکهای در حال خزیدن الهام گرفتهشده. این ربات با استفاده از فعالگرهای آلیاژی حافظهدار، میتواند بین تغییر شکل موج مانند برای شنا و سبک حرکتی متفاوتی برای حرکت روی زمین تغییر حالت دهد. این نشان میدهد که چگونه بعد چهارم (زمان) به یک ربات اجازه میدهد تا خود را برای محیطهای کاملاً متفاوت پیکربندی مجدد کند.
- گیرهها و حسگرهای الهام گرفتهشده از طبیعت
چاپ چهاربعدی امکان ایجاد گیرههای هوشمند الهام گرفتهشده از طبیعت را فراهم میکنند. مثلاً:
- فعالگرهای الهام گرفتهشده از ونوس مگسخوار: با استفاده از مواد حساس به pH، این میکرو-فعالگرها توانایی گیر انداختن میکروکرهها را در زمان کمتر از ۱.۲ ثانیه دارند و هر وقت بخواهند میتوانند آنها را آزاد کنند.
- گیرههای نرم برای اجسام شکننده: این گیرههای چاپ چهاربعدی شده، میتوانند بهگونهای برنامهریزی شوند که با تحریک شدن توسط گرما، بهآرامی دور یک تخم بلدرچین بپیچند. این انطباق برای جابجایی مواد غذایی حساس یا بافتهای بیولوژیکی در حین جراحی بسیار مهم است.
- ماهی بادکنکی بیونیک: پژوهشگران پوستهای بایونیکی را با اثر “اثر درک کرنش” تولید کردهاند که بهگونهای عمل میکند که با تحریک مکانیکی، مانند لمس، خود را باد میکند.
- اوریگامی و فرامواد
استفاده از سازههای اوریگامی در چاپ چهاربعدی، به صفحات مسطح چاپ شده اجازه میدهد تا به فرمهای پیچیده سهبعدی تا شوند. برای مثال، سازههای میورا-اوری میتوانند بهگونهای ساخته شوند که فوقالعاده سبک باشند و درعینحال قادر به تحمل بارهایی تقریباً ۳۵۸۰ برابر وزن خود باشند. این فرامواد دارای خواص فیزیکی (مانند نسبت پواسون منفی) هستند که در مواد طبیعی وجود ندارند و به رباتها این توانایی را میدهند که به روشهایی که قبلاً به نظر غیرممکن میآمد، کوچک یا بزرگ شوند.
نوعی سازه میورا-اوری
طراحی محاسباتی: مغز ربات
ساخت این رباتها نه تنها یک چالش فیزیکیست، بلکه از لحاظ محاسباتی هم چالشهایی دارد. برای اینکه مطمئن شویم سازه چهاربعدی مطابق با انتظارمان تغییر شکل میدهد، پژوهشگران از مدلسازی مبتنی بر وکسل استفاده میکنند. وکسل یک “پیکسل حجمی” است، یک بلوک سهبعدی کوچک که نشاندهنده یک نقطه خاص در یک شبکه است.
الگوریتمهای پیشرفته و طراحی هدایت شده توسط هوش مصنوعی برای تعیین توزیع دقیق مواد داخل وکسلها استفاده میشوند. با اختصاص ماده مناسب در جای مناسب، و محرک مناسب در زمان مناسب، محققان میتوانند به رفتار تغییر شکل مطلوب و عملکرد مکانیکی بهینه دست پیدا کنند. این «بخشبندی» دیجیتال همان چیزی است که به پژوهشگران کرهای اجازه میدهد رباتهای گوگردی خود را مانند پازلهای سهبعدی سرهم کنند و مطمئن باشند که هر قطعه بدون به خطر انداختن خواص فیزیکی ربات، کاملاً به بقیه متصل میشود.
رباتهای ۱۰۰% قابل بازیافت
شاید بتون گفت مهمترین جنبه تحقیقات گوگرد گروه کرهای، سهم آن در اقتصاد چرخشی است. اکثر رباتهای معمولی، حتی رباتهای نرم، بهسختی قابل دفع هستند و اغلب به تولید زبالههای الکترونیکی میانجامند. در مقابل، ساختارهای مبتنی بر گوگرد که توسط تیم کیم دانگ-کیون توسعهیافتهاند، ۱۰۰% قابل بازیافت هستند.
هنگامیکه یک ربات گوگردی به پایان عمر مفید خود رسید، میتوان آن را ذوب کرد و بهطور کامل آن را بهعنوان ماده اولیه برای پروژههای جدید چاپ چهاربعدی قرار داد. این امر باعث حذف ضایعات در هر دو انتهای فرآیند تولید میشود: “زباله” صنعتی را به یک ربات تبدیل میکند و تضمین میکند که خود ربات بعداً به زباله تبدیل نشود. همانطور که پژوهشگر اصلی کیم گفت، این “اولین مورد بازیافت گوگرد محصول جانبی صنعتی به یک ماده رباتیک پیشرفته” است، که آن را به یک محرک کلیدی برای صنعت اتوماسیون سازگار با محیطزیست تبدیل میکند.
چالشها و آینده رباتیک چهاربعدی
با وجود این پیشرفتها، حوزه چاپ چهاربعدی با موانع متعددی روبرو است. چالشهای فعلی عبارتند از:
- استحکام مواد: بسیار از مواد چهاربعدی، استحکام فیزیکی مواد صلب سنتی را ندارند.
- پیچیدگی: مدلسازی و شبیهسازی موردنیاز برای تبدیلهای دقیق چهاربعدی از نظر محاسباتی گران هستند و به ابزارهای پیشرفته هوش مصنوعی نیاز دارند.
- تجاریسازی: درحالیکه نتایج آزمایشگاهی امیدوارکنندهاند، مواد هوشمند چاپ چهاربعدی هنوز بهطور گسترده تجاری نشدهاند.
کار محققان کرهای روی گوگرد، نشاندهنده مسیری روبهجلو است. آنها با تمرکز بر پاسخگویی به محرکهای چندگانه و قابلیت بازیافت، در حال ایجاد طرحی برای نسل بعدی اتوماسیون هستند. نقاط پر اهمیت تحقیقاتی آینده شامل میکرو-رباتها برای درمان پزشکی، ساختارهای خوددرمانشونده برای زیرساختها و لوازم الکترونیک پوشیدنیای است که با بدن انسان سازگار میشوند.
نتیجهگیری
تبدیل گوگرد ضایعاتی به رباتهای چاپ چهاربعدی، نشاندهندهی یک تغییر الگو در تولید است. پژوهشگران کره جنوبی با افزودن بعد زمان به محصولات جانبی صنعتی، نشان دادند که «زباله» زمان حال میتواند به عضلات و مغز رباتهای آینده تبدیل شود. این رویکرد نه تنها یک راهحل پیشرفته برای بحران زیستمحیطی ارائه میدهد، بلکه زمینه را برای آیندهای فراهم میکند که در آن رباتها فقط ماشین نیستند، بلکه مواد هوشمند و پایداری هستند که میتوانند حرکت کنند، حس کنند و در نهایت به عنوان یک منبع قابلاستفاده مجدد به زمین بازگردند. بعد چهارم در چاپ فقط مربوط به تغییر شکل نیست؛ بلکه مربوط به چرخه عمر ماده است و تضمین میکند که رباتهای آینده میتوانند به همان اندازه که هوشمند هستند، مسئولیتپذیر نیز باشند.
