مستوحاة من العظام والمواد الصلبة الخلوية الأخرى في الطبيعة، استخدم البشر نفس المفهوم لتطوير مواد البناء. ومن خلال تغيير هندسة الخلايا التي تتكون منها هذه المواد، يستطيع الباحثون تصميم الخصائص الميكانيكية أو الحرارية أو الصوتية للمادة. تُستخدم مواد البناء في مجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من رغوة التغليف الممتصة للصدمات وحتى المشعاعات المنظمة للحرارة.
باستخدام كيريجامي، فن الكيريجامي والأوريغامي الياباني، طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مواد فائقة القوة وخفيفة الوزن ذات خصائص ميكانيكية قابلة للضبط مثل الصلابة والمرونة. ويمكن استخدام هذه المواد في الطائرات أو السيارات أو المركبات الفضائية. مصدر الصورة: مقدمة من الباحثين
قام باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتعديل نمط تجعد أوريغامي شائع بحيث تصبح النقاط الحادة للهيكل المموج جوانب. توفر هذه الجوانب، مثل الجوانب الموجودة على الماس، سطحًا مستوًا يمكن تثبيت اللوحة عليه بسهولة أكبر باستخدام البراغي أو المسامير. مصدر الصورة: مقدمة من الباحثين
استخدم باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الكيريجامي، وهو الفن الياباني القديم للأوريغامي والكيريجامي، لإنشاء مادة هيكلية عالية الأداء تسمى الشبكة على نطاق يتجاوز بكثير ما تمكن العلماء من تحقيقه سابقًا من خلال التصنيع الإضافي. تتيح لهم هذه التقنية إنشاء هذه الهياكل من المعدن أو المواد الأخرى بأشكال مخصصة وخصائص ميكانيكية مصممة خصيصًا.
قال البروفيسور نيل جيرشنفيلد، مدير مركز القطع والذرات في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (CBA) وكبير مؤلفي ورقة بحثية جديدة حول هذا النهج: "هذه المادة تشبه الفلين الفولاذي. إنها أخف من الفلين ولكنها تتمتع بقوة عالية وصلابة عالية".
طور الباحثون عملية تصنيع معيارية يتم فيها تشكيل العديد من الأجزاء الصغيرة وطيها وتجميعها في أشكال ثلاثية الأبعاد. باستخدام هذا النهج، قاموا بإنشاء هياكل وروبوتات خفيفة الوزن وقوية للغاية يمكنها تشويه شكلها والحفاظ عليه تحت أحمال محددة.
قام الباحثون بتشغيل الهيكل المموج عن طريق شد الأسلاك الفولاذية على الأسطح المتوافقة ثم توصيلها بنظام من البكرات والمحركات، مما يسمح لها بالانحناء في أي اتجاه. مصدر الصورة: مقدمة من الباحثين
نظرًا لأن هذه الهياكل خفيفة الوزن وقوية وصلبة وسهلة الإنتاج نسبيًا، فهي مفيدة بشكل خاص في البناء أو الطائرات أو السيارات أو مكونات الطيران.
يقوم أيضًا بكتابة الورقة مع غيرشنفيلد مؤلفون مشاركين أولون، مساعد أبحاث CBA ألفونسو بارا روبيو وطالبة الدراسات العليا في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كلارا مونديلوفا، بالإضافة إلى طالب الدراسات العليا في CBA ديفيد بريس وأستاذ علوم الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إريك ديمين. وتم عرض نتائج البحث في مؤتمر الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين لهندسة الحاسبات والمعلومات.
غالبًا ما تُستخدم المواد الإنشائية مثل الشبكة باعتبارها جوهر مادة مركبة تُعرف باسم هيكل الساندويتش. لتصور هيكل ساندويتش، تخيل جناح طائرة، حيث تشكل سلسلة من الحزم القطرية المتقاطعة نواة شبكية محصورة بين الألواح العلوية والسفلية. يتميز هيكل الجمالون هذا بصلابة وقوة عالية ولكنه خفيف الوزن للغاية.
الشبكة اللوحية عبارة عن هيكل على شكل قرص عسل يتكون من تقاطعات ثلاثية الأبعاد للصفائح بدلاً من الحزم. تتجاوز قوة وصلابة هذه الهياكل عالية الأداء حتى تلك الموجودة في شبكات الجمالون، ولكن نظرًا لأشكالها المعقدة، فإن تصنيعها باستخدام تقنيات شائعة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد يمثل تحديًا، خاصة في التطبيقات الهندسية واسعة النطاق.
تغلب باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على تحديات التصنيع هذه باستخدام ورق التونغ، وهي تقنية لطي الورق وقطعه لإنشاء أشكال ثلاثية الأبعاد يعود تاريخها إلى الفنانين اليابانيين في القرن السابع.
استخدم الباحثون طريقتهم لإنشاء هيكل من الألومنيوم بقوة ضغط تزيد عن 62 كيلونيوتن، ولكن وزنه 90 كيلوجرامًا فقط لكل متر مربع. مصدر الصورة: مقدمة من الباحثين
تم استخدام Kirigami لإنشاء لوحات باستخدام التجاعيد المتعرجة المطوية جزئيًا. ولكن لصنع هيكل شطيرة، يجب ربط الصفائح المسطحة بأعلى وأسفل اللب المموج ثم بالنقاط الضيقة التي أنشأتها الطيات المتعرجة. وهذا غالبًا ما يتطلب مواد لاصقة أو تقنيات لحام قوية، مما يجعل التجميع بطيئًا ومكلفًا وصعب القياس.
قام باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتعديل نمط تجعد أوريغامي شائع بحيث تصبح النقاط الحادة للهيكل المموج جوانب. توفر هذه الجوانب، مثل جوانب الماس، سطحًا مستوًا يمكن تثبيت الألواح عليه بسهولة أكبر باستخدام البراغي أو المسامير.
وقال باراروبيو: "تتفوق شبكات الألواح على شبكات الحزم من حيث القوة والصلابة بينما يظل الوزن والبنية الداخلية ثابتين". "باستخدام الطباعة الحجرية ثنائية الفوتون لإنتاج مقياس النانو، وصلت الصلابة والقوة النظرية إلى الحد الأعلى لـ HS. من الصعب جدًا بناء شبكات الألواح، وبالتالي لم تتم دراستها بشكل جيد على المستوى الكبير. نحن نعتقد أن الطي هو طريق لتسهيل استخدام مثل هذه الهياكل الشبيهة بالصفائح المصنوعة من المعدن."
بالإضافة إلى ذلك، فإن الطريقة التي قام بها الباحثون بتصميم الأنماط وطيها وقطعها سمحت لهم بضبط بعض الخصائص الميكانيكية، مثل الصلابة والقوة ومعامل الانحناء (ميل المادة إلى مقاومة الانحناء). وقاموا بتشفير هذه المعلومات، إلى جانب الأشكال ثلاثية الأبعاد، في خرائط التجاعيد، التي استخدموها لإنشاء هذه التموجات الورقية الهلامية.
على سبيل المثال، اعتمادًا على كيفية تصميم الطيات، يمكن تشكيل بعض الخلايا بحيث تحتفظ بشكلها عند ضغطها، بينما يمكن تعديل خلايا أخرى بحيث تنحني. وبهذه الطريقة، يمكن للباحثين التحكم بدقة في كيفية تشوه مناطق مختلفة من الهيكل تحت الضغط.
ونظرًا لإمكانية التحكم في مرونة الهيكل، يمكن استخدام هذه التموجات في الروبوتات أو التطبيقات الديناميكية الأخرى ذات الأجزاء المتحركة والالتواء والانحناء.
لصنع هياكل كبيرة مثل الروبوتات، يستخدم الباحثون عملية تجميع معيارية. إنهم ينتجون أنماطًا تجعيدًا أصغر حجمًا ويجمعونها في هياكل ثلاثية الأبعاد خفيفة للغاية وقوية للغاية. يحتوي الهيكل الأصغر على عدد أقل من التجاعيد، مما يبسط عملية التصنيع.
وباستخدام نمط ميورا-أوري المعدل، أنشأ الباحثون نمطًا مجعدًا ينتج الشكل المطلوب والخصائص الهيكلية. ثم استخدموا آلة فريدة من نوعها - طاولة قطع زوند - لقطع الصفائح المعدنية المسطحة وطيّها إلى أشكال ثلاثية الأبعاد.
وقال غيرشينفيلد: "لتصنيع منتجات مثل السيارات والطائرات، تحتاج إلى الاستثمار بكثافة في القوالب. ولا تتطلب عملية التصنيع هذه أدوات، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد. ولكن على عكس الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن لعمليتنا أن تضع حدودًا لتسجيل خصائص المواد".
وباستخدام طريقتهم، قاموا بإنشاء هيكل من الألومنيوم بقوة ضغط تزيد عن 62 كيلونيوتن ولكن وزنه 90 كيلوجرامًا فقط لكل متر مربع. (يزن الفلين حوالي 100 كيلوغرام لكل متر مربع). هيكلها قوي جدًا ويمكنه تحمل قوة تموجات الألمنيوم العادية بثلاثة أضعاف.
يمكن استخدام هذه التقنية متعددة الاستخدامات في مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك الفولاذ والمواد المركبة، مما يجعلها مثالية لإنتاج مكونات خفيفة الوزن ممتصة للصدمات للطائرات أو السيارات أو المركبات الفضائية.
ومع ذلك، وجد الباحثون أن نهجهم قد يكون من الصعب نمذجةه. ولذلك، فإنهم يخططون لتطوير أدوات تصميم CAD سهلة الاستخدام لهياكل الشبكة هذه في المستقبل. بالإضافة إلى ذلك، يأملون في استكشاف طرق لتقليل التكلفة الحسابية لمحاكاة الأداء الذي تتطلبه تصميماتهم.
كما استخدم بارا روبيو ومونديلوفا وغيرهما من طلاب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هذه التقنية لإنشاء ثلاثة أعمال فنية كبيرة مطوية من مركبات الألومنيوم، والتي يتم عرضها في مختبر الوسائط بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. وعلى الرغم من أن طول كل قطعة يبلغ عدة أمتار، إلا أن إنشاء الهياكل لم يستغرق سوى بضع ساعات.
وقال باراروبيو: "في نهاية المطاف، لم يكن العمل الفني ممكنًا إلا بسبب المساهمات الرياضية والهندسية التي نعرضها في ورقتنا البحثية. لكننا أيضًا لا نريد أن نغفل القوة الجمالية لعملنا".