المحاكاة الحيوية
الإسفنج العميق في البحر يلهم هيكلًا شبكيًا فائق القوة للهندسة
قامت مجموعة من المهندسين من مركز رميت للهياكل والمواد المبتكرة باستخدام الاستنساخ الحيوي لتطوير هيكل شبكي فائق القوة يوفر أداءً محسّنًا مقارنةً بالخيارات التقليدية القائمة على خلية النحل.
مستوحى من الإسفنج العميق في البحر، سلة زهرة فينوس، يستفيد التصميم من ملايين السنين من التطور لتحسين الخصائص الأوكسيتية، الصلابة، وامتصاص الطاقة. إليكم كيف يمكن لهذا الهيكل الشبكي الفائق القوة أن يكون المفتاح لفتح آفاق المباني من الجيل التالي، والإجراءات الطبية، وأكثر من ذلك.
فهم المواد الأوكسيتية
لفهم أهمية هذا التطور، من الضروري إدراك الدور الحاسم الذي تلعبه المواد الأوكسيتية في التطبيقات الطبيعية والصناعية على حد سواء. تختلف هذه المواد عن العناصر التقليدية التي تُسحق عند الضغط أو تُطول عند الشد.
بدلاً من ذلك، تُظهر المواد الأوكسيتية انكماشًا جانبيًا عند الضغط. تجعل هذه السمة منها مثالية للاستخدام في التطبيقات التي تتطلب امتصاص وتوزيع طاقة الصدمة بفعالية. ومن الجدير بالذكر وجود نسخ طبيعية من المواد الأوكسيتية مثل أوتار العضلات، وأمثلة صناعية مثل الدعامات القلبية التي يجب أن تتكيف مع متطلبات ضغط الأوعية الدموية.
تطور تصاميم الأوكسيتية
على مر السنين، تم إنفاق الكثير من البحث والتطوير لتطوير أكثر المواد الأوكسيتية فاعلية. تشمل بعض التصاميم الحالية الهياكل اللولبية، خليات النحل على شكل نجمة، هياكل الأجسام الصلبة الدوارة، الأوكسيتيات متعددة المواد، وخلايا النحل المتراجعة. من بين هذه الخيارات، تُعد خلايا النحل السداسية المتراجعة هي الأكثر بروزًا.
خلية النحل السداسية المتراجعة: نهج تقليدي
تم استلهام تصميم خلية النحل السداسية المتراجعة من خلايا النحل الموجودة في الخلايا. تم تطويره في عام 1982 ويتميز بأضلاع مائلة تتحرك إلى الداخل تحت الضغط، مما يزيد من صلابة التصميم.
منذ ذلك الحين، تم تحسين التصميم بإضافة دعائم إضافية لتحسين الأداء. ومع ذلك، لا يزال هناك العديد من العيوب في تخطيط خلية النحل من حيث المرونة، وتكاليف الإنتاج، والأداء العام.
تطوير الهياكل الشبكية: دراسة BLS
مع الاعتراف بالقيود في هذا المجال الناشئ، طورت مجموعة من الباحثين في جامعة رميت تصميمًا أوكسيتًا مملوكًا يمكنه التفوق على سابقيه في جميع النواحي. يسلط التقرير “سلوك الأوكسيتية وخصائص امتصاص الطاقة لهياكل شبكية مستوحاة من الإسفنج العميق في البحر“1 المنشور في مجلة Composite Structures الضوء على أن التصميم الجديد مستوحى من الهيكل العظمي لإسفنج عميق، وهو قادر على التفوق على خلايا النحل السداسية المتراجعة بمقدار 13 مرة.
سلة زهرة فينوس: مخطط الطبيعة
الإسفنج العميق في البحر Euplectella Aspergillum، المعروف جماعيًا باسم سلة زهرة فينوس، يمتلك أحد أكثر الهياكل العظمية متانة وتفردًا في جميع الطبيعة. يتميز الإسفنج بهيكل عظمي شبكي يشبه الشبكة مكوّن من عناصر زجاجية تُسمى الشوكيات التي تُنشئ شبكة مربعة.
المصدر – مركز رميت للهياكل والمواد المبتكرة
يتم تعزيز الشبكة بواسطة دعائم شبكية مزدوجة تمنح الهيكل مظهر لوحة شطرنج مع مربعات متناوبة مملوءة. توفر هذه الخلايا المفتوحة والمغلقة للعضو خصائص ميكانيكية فريدة تشمل صلابة لا مثيل لها وامتصاص طاقة عالي الأداء.
إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للهيكل الشبكي المستوحى من الطبيعة
قام المهندسون بإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد لعرض اكتشافاتهم واختبار نظرياتهم. تم طباعة هيكلهم الشبكي المكعب المركزي ثلاثي الأبعاد من بولي يوريثان حراري. شمل النموذج تسع خلايا مربعة مرتبة في شبكة 3 × 3. لاحظ الفريق بتمعن أن كل شبكة بمفردها أظهرت سلوك تشوه. ومع ذلك، عندما تم دمجها، أظهر المادة سلوكًا أوكسيتياً.
المحاكاة الحاسوبية: تحسين تصميم BLS
كانت الخطوة التالية هي استخدام بيانات الاختبار لإنشاء محاكاة حاسوبية. يتيح هذا الإجراء للمهندسين تحسين معدل الاختبار وتجربة أشكال وتصاميم أكثر غرابة عبر مزيد من الاختبارات. استخدموا المحاكاة لتقييم تأثير التغييرات الهندسية.
تم توثيق بيانات كل مادة بما في ذلك سلوكها الأوكسيتى، صلابتها، وقدرات امتصاص الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، راجع الفريق تأثير معلمات الهيكل مثل ترتيب وسُمك القضبان غير القطرية والمزدوجة القطرية. ثم قام الفريق بضبط المسافات بين القضبان المزدوجة القطرية لتحقيق الأداء الأمثل.
اختبار BLS: التحقق التجريبي
اختبر الباحثون تصميمهم الشبكي الجديد بطرق مختلفة. على وجه التحديد، تم استخدام جهاز اختبار عالمي Shimadzu AGS-50kNXD لإجراء اختبارات ضغط أحادية المحور شبه ثابتة على وحدات BLS-0 و CAS المطبوعة بتقنية 33D. وثق المهندسون بشكل منهجي جميع الجوانب الأساسية للمادة بما في ذلك سلوكها الأوكسيتى، صلابتها، وخصائص امتصاص الطاقة.
نتائج اختبار مثيرة للإعجاب
أنتجت الاختبارات بعض النتائج المثيرة للإعجاب. وفقًا للمهندسين، تفوق BLS على خيارات الخلايا السداسية المتراجعة في جميع النواحي. من حيث الضغط، تفوق على التصميم الأصلي بنسبة 13٪. بالإضافة إلى ذلك، امتص 10٪ طاقة أكثر عبر نطاق انفعال أكبر بنسبة 60٪.
أظهر BLS صلابة تقارب ضعف صلابة تصاميم الأنابيب التقليدية. كما كان أقوى بثلاث مرات وأظهر صلابة أعلى بأربع مرات مقارنةً بسابقيه من خلايا النحل المتراجعة. يأتي هذا الأداء الميكانيكي المحسن من تصميم أخف يستخدم مادة أقل بكثير مقارنةً بالبدائل.
الفوائد الرئيسية للهيكل الشبكي المستوحى من الطبيعة
هناك العديد من الفوائد التي تجعل اكتشاف BLS جديرًا بالاهتمام. أولاً، يوفر للمهندسين مستوى جديدًا من القوة الانضغاطية والصلابة التي تمكّن من إنشاء منتجات أكثر متانة. من المنازل إلى السيارات، يمكن لهذا التصميم الأخف أن يعزز صلابة العديد من الأشياء اليومية التي تستخدمها، وكذلك بعض من أكثر المشاريع الهندسية تعقيدًا اليوم.
دور الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع BLS
فائدة رئيسية أخرى لهذا التصميم هي إمكانية طباعته ثلاثيًا. يتيح هذا النهج للمهندسين تخصيص التخطيط لتلبية تقريبًا أي متطلبات تطبيقية. كما يوفر فرصة لتجربة مواد أخرى بطريقة مُتحكم فيها وسهلة الدمج، مما يدفع المزيد من الابتكار.
التطبيقات الواقعية المحتملة لـ BLS
يمكن أن يؤدي هذا المادة المستوحاة من الطبيعة إلى تطوير هياكل أقوى وأكثر مرونة في صناعات مثل الطيران، السيارات، والهندسة المدنية. جميع هذه القطاعات تبحث باستمرار عن مواد أخف، أسهل في التعامل، وتظهر مزيدًا من القوة والصلابة.
الآن، يسعى هذا الفريق من الباحثين المبتكرين إلى إلهام فئة جديدة من المواد الأوكسيتية، مقدماً خصائص ميكانيكية فائقة مثل تحسين امتصاص الطاقة والصلابة الهيكلية.
التطبيقات الهندسية: ما التالي؟
يتوقع العديد من المحللين أن تظهر تطبيقات خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة، في انتظار مزيد من البحث والتطوير. إليكم بعض التطبيقات المحتملة لهذه التقنية.
البناء
وفقًا للمهندسين، سيكون قطاع البناء هو التركيز الرئيسي لهم. مواد البناء والتشييد مكلفة مع ارتفاع الأسعار بشكل حاد خلال السنوات القليلة الماضية. يمكن لهذا التطور أن يثوّر هذا القطاع بطرق متعددة.
أحد الفوائد هو أنه سيسمح للمنشئين بإنشاء هياكل أقوى تستخدم مادة أقل. تخيل هذا الهيكل الشبكي يحل محل الإطار الفولاذي في منزلك أو العوارض في مبنى. يوفر التخطيط المفتوح والمغلق على شكل لوحة شطرنج وسلوكًا أوكسيتياً تحت الضغط بفضل هيكل خفيف الوزن.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمعماريين والمهندسين إنشاء مبانٍ أكثر مرونة. تخيل ناطحة سحاب صُممت لتقليل الاهتزازات أثناء الزلزال أو لتصبح أكثر صلابة بطريقة معينة عندما يدفعها الرياح. بهذه الطريقة، يمكن لـ BLS تعزيز قدرات الهندسة الهيكلية في السوق.
معدات الحماية
مجال آخر يهم BLS هو صناعة معدات الحماية. ستجعل هذه المادة معدات الحماية التي يرتديها الفرد أخف وأكثر مرونة. سيضمن التصميم الشبكي أن المعدات الخفيفة تتحمل أقسى الظروف والصدمات، مما يفتح الباب لمستوى جديد من الأمان في العديد من الرياضات الخطرة اليوم.
العسكرية
هناك عدة تطبيقات عسكرية لهذه المادة. تخيل صدريات مضادة للرصاص خفيفة الوزن وفائقة النحافة من الجيل التالي. يمكن للمهندسين إنشاء عناصر مثل الجسور المؤقتة بسهولة، مما يحسن من تجميعها ونقلها. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تلعب دورًا في إنشاء مركبات الجيل التالي ومعدات أخرى تتطلب صلابة محسنة ولكن يجب أن تلتزم بقيود الوزن الصارمة.
تخيل طائرات بدون طيار يمكنها الطيران لمسافات أطول وتحمل المزيد من الضرر، أو خوذات يمكنها تحمل الضربات المباشرة من عيارات عالية دون تحطم. كل هذا وأكثر ممكن باستخدام تقنية BLS.
التطبيقات الطبية
يمكن للمجال الطبي استخدام هذه التقنية لتحسين عدة إجراءات مختلفة. على سبيل المثال، يجب أن تكون الزرعات المصممة للحفاظ على شرايين مفتوحة قادرة على التكيف تحت ضغط شديد وتستمر دون تدهور لسنوات. يوفر التصميم الشبكي الجديد مزيدًا من المتانة والصلابة عند الحاجة، مما يمنع إغلاق الشرايين وينقذ الأرواح.
السيارات
هناك العديد من الطرق التي يمكن أن تجعل هذه التقنية سيارتك القادمة أكثر أمانًا وكفاءة. أولاً، يمكن لتصميم الأنبوب المحدث أن يحل محل الإطار الفولاذي المستخدم حاليًا من قبل العديد من الشركات المصنعة. سيقلل هذا التصميم الجديد من تكاليف التصنيع ويحسن القوة والمتانة.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذه التقنية لجعل رحلتك أكثر سلاسة. تخيل صدمات وهياكل أخرى لتخفيف الاهتزازات مصنوعة من هذه المواد. يمكن لهذه التصاميم أن توفر مزيدًا من الراحة دون إضافة وزن إضافي إلى سيارتك الكهربائية القادمة.
باحثو الهيكل الشبكي المستوحى من الطبيعة (BLS)
قادت دراسة مركز رميت للهياكل والمواد المبتكرة والتي شملت الباحثين جيا مينغ ما، هونغرو تشانغ، تينغ-وي لي، هونغجيا لو، يي مين شيا، ونغوك سان ها. الآن، يخطط هذا الفريق لاستكشاف استخدام مواد أخرى مثل الفولاذ لاختبار ابتكاره.
أعرب الفريق أيضًا عن اهتمامه باستخدام مزيج من المواد بناءً على خصائصها الفريدة لمحاولة تحسين الأداء أكثر. ستشمل هذه التجارب صنع العوارض والمربعات من مواد مختلفة يمكنها التفاعل.
الاستثمار في قطاع علم المواد
يضم قطاع علم المواد عدة شركات رائدة تستمر في دفع التكنولوجيا إلى آفاق جديدة. يُظهر هذا التطور الأخير السرعة التي يحدث بها الابتكار في السوق. إليكم شركة مبتكرة واحدة تتمتع بموقع جيد لدمج أي اختراقات في علم المواد لتعزيز عوائد الاستثمار وخط منتجاتها.
Hexcel Corporation
شركة Hexcel Corporation (HXL ) بدأت عملها في عام 1948 ومقرها في ولاية كونيتيكت. هذه الشركة المصنعة الأمريكية تتخصص في المواد المصممة على شكل خلية نحل. منذ تأسيسها، شهدت Hexcel نجاحًا كبيرًا.
ومن المثير للاهتمام أن أحد أولى العقود الحكومية الكبيرة للشركة كان لتطوير مواد خلية نحل حديثة للاستخدام في قبعات الرادار على الطائرات العسكرية خلال الحرب العالمية الثانية. بعد انتهاء الحرب، استحوذت الشركة على شركة California Reinforced Plastics و Ciba Composites.
في عام 1995، استحوذت على قسم منتجات Hercules Composites. اليوم، تُعَرف بأنها رائدة في مجال المواد المركبة المتقدمة لتطبيقات الفضاء والصناعة. ساعدت الشركة بشكل مشهور في تصميم وتصنيع مركبة إعادة الدخول لأبولو 11 في عام 1968.
(HXL )
تمتلك Hexcel عدة براءات اختراع على أبحاثها وتستمر في ضخ التمويل لتطوير مواد الجيل التالي التي تعزز سلامة الهيكل، تقلل الوزن، وتوفر خيارات تصنيع أسهل.
حاليًا، توظف Hexcel 5894 موظفًا وتبلغ إيراداتها المعلنة 1.90 مليار دولار في عام 2024. يُعتبر سهمها شراءً قويًا وفقًا لمعظم المحللين حيث تستمر الشركة في الحصول على عقود حكومية ودعم لتقنيات الجيل التالي. هذه العوامل، إلى جانب تاريخ الشركة وموقعها، تجعل HXL إضافة ذكية لأي محفظة استثمارية.
آخر المستجدات حول شركة Hexcel
مستقبل الهياكل الشبكية المستوحاة من الطبيعة
عند فحص الفوائد التي تجلبها الهياكل الشبكية المستوحاة من الطبيعة إلى السوق، من السهل أن نرى أنها ستلعب يومًا ما دورًا حيويًا في جعل الإلكترونيات أخف، ومعدات الحماية أكثر أمانًا، ومركبتك المستقبلية أكثر صلابة.
بالإضافة إلى ذلك، ستجعل التطورات في الطباعة ثلاثية الأبعاد من السهل على المهندسين نمذجة وإنشاء هياكل ومواد أوكسيتية ذات أداء فائق. في الوقت الحالي، يستحق هذا الفريق الفضل في إلقاء الضوء على كيفية عمل المواد الأوكسيتية وكيف ساعد التطور في تحسين تصميمها.
اكتشف اختراقات أخرى في علم المواد الآن.
الدراسات المشار إليها:
1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). سلوك الأوكسيتية وخصائص امتصاص الطاقة لهياكل شبكية. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835
