الروبوتات والذكاء الاصطناعي يقودان إلى اختراقات في تشوه المواد
حددت جامعة بوسطن معيارًا في مجال علم المواد من خلال مشروعها المبتكر المسمى MAMA BEAR، وهو اختصار يعني “آليات الهندسة المعمارية المطحنة بواسطة التلويح بشكل إحصائي والباحث المستقل”. هذا الجهاز اللامع يعمل بواسطة الذكاء الاصطناعي المتقدم، حيث يقوم بتجارب دون كلل على الأشكال المختلفة لاكتشاف الشكل الذي يستطيع امتصاص الطاقة الميكانيكية بكفاءة عن طريق التشوه.
باستخدام مجموعة من خمس طابعات ثلاثية الأبعاد، تقوم MAMA BEAR بطباعة هياكل أسطوانية صغيرة مصنوعة من مواد مختلفة، بما في ذلك TPU والنايلون وPETG و PLA. يتم وزن كل جسم مطبوع بعد ذلك ونقله بواسطة ذراع روبوتية إلى جهاز يضغط يحاكي القوة المعادلة لتلك التي تمارسها حصان عربي تماما.
تسجل أجهزة الاستشعار والكاميرات الحديثة بدقة تفاصيل تشوه الهيكل، مما يسمح للنظام المستقل بتعديل وتحسين معلمات الشكل للطباعات اللاحقة. الهدف هو العثور على الشكل الأمثل القادر على امتصاص القوة الخارجية عبر تشوهه الخاص.
تفوق بنيات امتصاص الطاقة المصممة بواسطة الإنسان
تمكنت MAMA BEAR من تفوق بنيات صنعت بواسطة الإنسان، حيث كانت قد قمت بالتلاشي عند 71% معدل كفاءة التشوه. من خلال الاستمرار في التعلم والتنقيح، نجح هذا النظام في تجاوز الحاجز البالغ 75%، مما يُعرض نتائجه في المجلة الرصينة Nature.
يمهد هذا البحث الطريق لتطوير هياكل غير مسبوقة قادرة على امتصاص الطاقة بكفاءة، مما قد يحدث ثورة في ميزات السلامة في تطبيقات مختلفة. من حواجز السيارات إلى مناطق تبديد الطاقة الأخرى، تهدف هذه المواد إلى حماية المكونات الحيوية و، الأهم من ذلك، حياة الإنسان عن طريق تبديد الطاقة الحركية من خلال تدمير مُتحكم فيه. هذه الزيادة الملموسة في الكفاءة تعني أن الطاقة المتبقية لتلف أي شيء واقف خلف تلك المناطق المشوهة – مثل محرك السيارة أو السائق – تُقلل بشكل كبير، وتحدث خطوة كبيرة إلى الأمام في تصميم المواد الواقية.
استكشاف أهمية الامتصاص المتقدم للطاقة
تعتبر الهياكل ثلاثية الأبعاد مصممة لامتصاص الطاقة أمرًا حاسمًا بالنسبة لمجموعة واسعة من الصناعات، بما في ذلك السيارات وصناعة الفضاء والملابس الواقية، وحتى استكشاف الفضاء. يمكن أن تكون التقنية التي تطورتها جامعة بوسطن لها تأثير كبير على تصميم المواد التي تحتاج إلى تحمل التأثيرات، الاصطدامات، أو أحداث القوة الأخرى. في مركبات الفضاء على سبيل المثال، يمكن استخدام مثل هذه المواد لتخفيف الصدمات وحماية الأدوات الحساسة أثناء الإطلاق أو الهبوط، أو التصادمات غير المتوقعة مع حطام الفضاء.
أسئلة مهمة وأجوبته
– ما هو الطباعة ثلاثية الأبعاد وكيف تتعلق بهذا الاختراق؟
الطباعة ثلاثية الأبعاد، أو التصنيع الإضافي، هو عملية إنشاء أجسام مادية من التصاميم الرقمية عن طريق تكديس المواد. تكمن التقنية في صميم الاختراق، حيث تسمح بتصميمات أسرع وتحسينها بسبب تكامل الذكاء الاصطناعي، حيث يمكن اختبار الهياكل المعقدة بسرعة لقدراتها على امتصاص الطاقة.
– لماذا يكون تكامل الذكاء الاصطناعي أمرًا حاسمًا في هذا البحث؟
يمكن لتكامل الذكاء الاصطناعي تمكين التقييم والتكيف التلقائي لتصميمات الهياكل، مما يؤدي إلى عملية تحسين أكثر كفاءة من الطرق اليدوية التقليدية. من خلال دمج الذكاء الاصطناعي، يتسارع دورة التعلم والتحسين بشكل كبير، مما يؤدي إلى اكتشاف تصميمات متفوقة قد تكون مستحيلة على المهندسين البشر.
– كيف قد تغير هذه الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد مستقبل تصميمات السلامة؟
يمكن أن تعزز الهياكل المحسنة لامتصاص الطاقة بشكل كبير سلامة المركبات والمباني والمعدات والملابس الواقية عن طريق تقليل القوة المنتقلة إلى البشر أو المكونات الحساسة عند التأثير، وبالتالي يقلل من خطر الإصابة أو تلف المعدات.
تحديات وجدل رئيسية
– من الضروري ضمان قابلية التوسع وإنتاجية هذه التصاميم للإنتاج الضخم. من الضروري أن نرى كيف ستُدمج هذه الهياكل في أنظمة التصنيع الحالية وكم تكون فعالة من حيث التكلفة على نطاق واسع.
– قلق من أداء المواد على المدى الزمني وتحت ظروف بيئية مختلفة. إنه من الضروري القيام بمزيد من البحوث لتحديد كيف ستتصرف هذه الهياكل تحت الإجهاد الزائد، والتغييرات في درجات الحرارة، أو التعرض للمواد الكيميائية وعناصر أخرى.
– قد تكون هناك مخاوف بشأن ملكية الملكية الفكرية وبراءات الاختراع المتعلقة بالتصميمات الفريدة التي ينتجها الذكاء الاصطناعي، مما قد يؤدي إلى نقاشات قانونية وأخلاقية حول ملكية محتوى الذكاء الاصطناعي.
مزايا وعيوب
– المزايا:
– القدرة على إنشاء هياكل معقدة تتفوق على حدود التصميم البشري.
– إعادة التكرار وتحسين التصاميم بسرعة بفضل تكامل الذكاء الاصطناعي.
– إمكانية زيادة السلامة والحماية في مختلف التطبيقات.
– يمكن إنتاج هياكل شخصية وقابلة للتخصيص لتناسب المتطلبات الخاصة.
– العيوب:
– يمكن أن تكون تكلفة البحث والتطوير الأولية لمثل هذه الأنظمة المتقدمة مرتفعة.
– تعقيد التكامل لهذه المواد الجديدة في خطوط التصنيع والمنتجات الحالية.
– عدم اليقين حول مدى تحمل هذه المواد على المدى الطويل وتأثيرها البيئي.
– قضايا إمكانية الملكية الفكرية المتعلقة بتصميمات الذكاء الاصطناعي.
لمزيد من المعلومات حول التصنيع الإضافي ومستقبل علم المواد، يمكنك زيارة مواقع الويب مثل:
– Nature لمقالات البحوث العلمية والاختراقات في هذا المجال.
– جامعة بوسطن لمعرفة المزيد حول مبادراتها البحثية المتنوعة وإسهاماتها في علم المواد.
– المنظمة الدولية للتوحيد والتقييس (ISO) للمعايير واللوائح المتعلقة بالتصنيع الإضافي ومواده.