مقدمه ای بر پرینت چهار بعدی و پتانسیل های آن

روزی را تصور کنید که در آن ماشین ها و سازه های مورد استفاده تان (از قفسه کتاب گرفته تا آجر ساختمان ها) بتوانند خودشان را سر هم کنند و برای این منظور دیگر نه به جرثقیل نیاز داشته باشند و نه نیروی انسانی.

فرض کنید این سازه ها و ماشین آلات برای سر هم شدن فقط به مواد پرینت شده سه بعدی نیاز داشته باشند که «بدانند» چطور تا شوند، محکم شوند، شکل خمیده به خود بگیرند و تغییرات لازم را روی خود اعمال نمایند.

در واقع سوال این است: چه می شد اگر می توانستیم اشیائی پرینت کنیم که چهار بعد داشتند؟

بله، به لحاظ فنی هرچیزی چهار بعدی است و اگر بخواهیم با استناد به گفته فیزیکدانان بگوییم اشیاء در واقع ده بُعد یا بیشتر دارند اما ما جهان پیرامون خود را با معیارهایی نظیر طول، عرض و ارتفاع در نظر می گیریم و بعد چهارم که همان زمان باشد را به چشم دشمن می دانیم و تمام تلاش خود را نیز به خدمت می گیریم که با اثراتش مقابله نماییم.

از همین روست که بشر سازه های مختلف از قبیل دیوارها و لوله ها را تا آنجا که امکان دارد محکم درست می کند و با مرور زمان و سالخورده شدن این سازه ها آنها را تعمیر می نماید چراکه ساخت و ساز به زمان، هزینه و زحمت نیاز دارد و ما هم نمی خواهیم این کار را بارها و بارها انجام دهیم و به همین خاطر است که سازه های قبلی را تعمیر می کنیم.

اما اگر زمان دشمن ما نبود چطور؟ شی ای را در نظر بگیرید که می تواند خودش را همانند دست سازه های اورگامی بارها و بارها تا کند. تصور کنید دیوارهای آن می توانستند خود را خم کرده و در پاسخ به تغییر فشار و بار وارده محکم تر شوند یا لوله ای را در نظر بگیرید که در زیر زمین قرار دارد و می تواند بر حسب جریان آب عبوری شکل خود را تغییر دهد. با استفاده از پرینت چهار بعدی هر یک از این موارد امکان پذیر خواهند بود.

اگر محققان و تولیدکنندگان بتوانند پرینت چهار بعدی را به صورت عملیاتی به خدمت بگیرند آنگاه کل تصورات ما از تولید تغییر می یابد. به این ترتیب شرکت ها می توانند انواع قفسه، ماشین و ابزار را تولید کرده و آنها را به صورت تخت درآورند و به مناطق مورد نیاز از جمله نواحی تحت تاثیر بلایای طبیعی ارسال نمایند یا حتی در شرایطی از آنها استفاده نمایند که برای انسان مضر هستند و می توانند خواص و شکل کلی اشیاء را نه یک بار بلکه به صورت مکرر تغییر دهند.

اما پایه و اساس هر فرایند طبیعی را ابتدایی ترین اصول فیزیک، شیمی و هندسه می سازد؛ وقتی با بروز یک توفان ساده موهای سرتان به هم می ریزد یا هنگامی که مقدار کافی هوا را به داخل یک صندلی مسطح بادی می فرستید و صندلی شکلی خاص به خود می گیرد همگی نمایانگر این اصول هستند.

اما در مورد اشیاء چهار بعدی باید بگوییم که برای ساخته شدن به انسان نیازی ندارند و از طرفی ربات هم نیستند که به میکروچیپ، آرمیچر یا قطعاتی از این دست نیاز داشته باشند و تنها کاری که برای «برنامه ریزی» این محصولات باید صورت بگیرد این است که اصول هندسه، فیزیک و شیمی درونشان نهادینه گردد.

اگر بخواهیم این فناوری را به زبان ساده برایتان توصیف کنیم می توانیم بگوییم که در اصل ترکیبی از پرینت سه بعدی و یک حوزه پیشرفته دیگر به نام خود-اسمبلی یا مونتاژ خودبخودی است.

مونتاژ خودبخودی دقیقا همان چیزی است که تصور می شود؛ چینش خودبخودی قطعات مختلف و قرار گرفتنشان در یک کلیت کاربردی و بزرگ تر. این حوزه بنا به دو دلیل در نانوتکنولوژی اهمیت دارد: نخست اینکه مونتاژ خودبخودی هم اکنون نیز در مقیاس نانو صورت می گیرد و نیروی محرکه مورد نیاز برای فرایندهای مختلفی نظیر خم شدن پیوندهای پروتئینی تا شکل گیری کریستال را تشکیل می دهد.

علت دوم هم این است که چکش، آچار یا پیچ گوشتی مورد نیاز برای ساخت ماشین های مقیاس مولکولی وجود ندارد و این ذرات باید به صورت خودبخودی در کنار هم قرار بگیرند.

اما اگر امکانی فراهم می گشت که مونتاژ خودبخودی را به سطح انسانی نیز تعمیم داد آنگاه می شد محصولاتی ارزان قیمت را با استفاده از فرایندهایی ساده تر ساخت یا اینکه تکنولوژی های تازه ای را ارائه نمود که در شرایط معمول تولیدشان غیرممکن می نمود. این کار نیاز به تفکر و زحمت زیادی دارد. حتی در شرایط عادی نیز، لازم است که برای عملیاتی شدنش، توالی های مونتاژ شکسته شده و قطعاتی قابل برنامه ریزی ساخته شوند و در نهایت نوعی منبع انرژی در نظر گرفته شود که فرایند را به پیش برد. از طرفی اصلاح برخی خطاها در کار نیز باید انجام بگیرد. اما مساله کلیدی در این باره در اختیار داشتن ابزارها و مواد مناسب است.

در حوزه پرینت سه بعدی اما، مرتبا روش های تازه ای ابداع می شوند. اگر بخواهیم شیوه سنتی این فناوری را برایتان تشریح کنیم می توانیم بگوییم که در جریان آن لایه های مختلف پلیمر با دقت زیاد در یک بستر پرینت روی هم قرار داده می شوند. رفته رفته با محکم شدن تک تک لایه ها و چسبیدنشان به لایه های زیرین، شکلی سه بعدی پدید می آید.

پرینترهای سه بعدی اولیه که زودتر از بقیه وارد بازار شدند تنها با یک ماده قابل استفاده بودند اما انواع جدیدتر این دستگاه ها با طیف وسیع تر از مواد سازگاری دارند و در نتیجه می توان آنها را در سناریوهای متنوع تری به کار گرفت.

این تحول اهمیتی بس بالا در حوزه پرینت چهار بعدی دارد زیرا تنوع مواد مورد استفاده امکان ارائه محصولاتی را از طریق این دستگاه ها فراهم می آورد که می توانند به روش های مختلف، سخت، خمیده یا متورم شوند یا اینکه «به خواست خود» به شیوه های گوناگون تا شوند.

این مواد می توانند بخش هایی داشته باشند که همانند یک اسفنج آب را به خود جذب می کنند یا قسمت هایی که وقتی در معرض نور قرار داده می شوند جریان های الکتریکی تولید نمایند. همانطور که تایید خواهید کرد، این فناوری تا زمانی که پیرو اصول هندسی صحیح باشید محدوده و مرز مشخصی ندارد.

این همان چیزی است که آزمایشگاه مونتاژ خودبخودی MIT از آن تحت عنوان «ماده قابل برنامه ریزی» یاد کرده است؛ رویکردی در زمینه علوم، مهندسی و علم مواد با تمرکز روی ماده ای که می تواند برای تغییر شکل یا کاربری اش، خود را برنامه ریزی کند و یکی از موارد مصرف آن نیز پرینت چهار بعدی است.

ماده قابل برنامه ریزی: هندسه خودِ مقصد است

البته لازم است اضافه کنیم تنها پژوهشگران MIT نیستند که روی پرینت چهار بعدی کار می کنند بلکه آزمایشگاه مونتاژ خودبخودی این دانشگاه جایی است که اولین جرقه را در این زمینه زد و سخنرانی Skylar Tibbits مدیر این آزمایشگاه در برنامه تد نیز آغازگر آن بود.

پژوهشگران این مرکز در وهله نخست با ایجاد ربات های ساده و با مقیاس بزرگ که قابلیت ترمیم کردن خود را داشتند به این حوزه ورود یافتند. آنها در ادامه به این نتجه رسیدند که زحمت و هزینه مورد نیاز برای این منظور بیش از اندازه بالاست و به همین خاطر دست به کار ساخت اشکال و موادی شدند که در ساخت شان منطق به کار رفته است.

این گروه از پژوهشگران، در سال 2010 میلادی مجموعه ای از اشکال در هم قفل شونده به نام Logic Matter را ساختند که می توانستند مشکلات محاسباتی را صرفا با استفاده از علم هندسه خود حل کنند.

اگر بخواهیم کامپیوترها را با استفاده از پایه ای تری جزء سازنده شان توصیف کنیم می توانیم بگوییم یک کامپیوتر از طریق درگاه های الکترونیکی خود کار می کند که صفرها و یک ها را با هم ترکیب کرده و یک پاسخ درست یا خطا را ارائه می دهد.

این درگاه ها از جبر بولی برای این منظور بهره می گیرند که پرسش هایی نظیر این را مطرح می کند: «آیا هر دو داده ورودی یک هستند؟» یا «آیا یکی از داده های ورودی یک است؟».

آزمایش تحت سرپرستی آقای Tibbits نیز همین پرسش ها را مطرح کرد  اما برای این منظور به جای بهره گیری از وضعیت های مرسوم روشن و خاموش الکتریکی که نماینده صفر و یک هستند، از چند وجهی های پیچیده استفاده کرد. چفت شدن اشکال داخل یکدیگر هم ورودی ها را می ساخت. با این روش پیکره بندی تازه ای ایجاد گردید که به شکل بعدی (یعنی خروجی) امکان می داد صرفا در وضعیت رو به بالا (صحیح یا همان True) یا رو به پایین (غلط یا False) قرار بگیرد و جواب را ایجاد کند.

البته باید اضافه کنیم که Logic Matter به سطح خود مونتاژی نرسید (برای آنکه این قطعات در داخل هم چفت شوند به کمک انسان نیاز بود) اما مشخص شد که می توان دستورالعمل هایی را در آنها قرار داد و در نتیجه نخستین گام مورد نیاز در راستای ساخت مواد خود مونتاژ برداشته شد.

در سال های بعد، گام های مهم تر دیگری از سوی پژوهشگران این مرکز برداشته شد و آنها به عنوان نمونه موفق شدند اشکال هندسی مختلفی بسازند که اگر در یک ظرف تکان داده می شدند با هم ترکیب می شدند و برای نمونه زنجیرهایی را ابداع کردند که در صوت تکان خوردن به اشکال مختلفی در می آمدند.

همین موفقیت آغازگر گام بزرگ بعدی بود: ترکیب کردن نوعی گرایش هندسی درونی با ورودی انرژی (یا گونه ای از فاکتور محیطی) تا فرایند مونتاژ خودبخودی را رقم بزند.

حتما این سوال در ذهنتان شکل گرفته که منظور از گرایش هندسی چیست؟ یقینا تا به حال سعی کرده اید که با استفاده از مقوا (یا چوب یا فلز) شی ای بسازید و این را هم می دانید که اگر از قبل، محل تا خوردن را خط بیاندازید، راحت تر می توانید این کار را انجام دهید. بنابراین می توانیم اینطور بگوییم که خط انداختن نوعی برنامه ریزی است؛ روشی که به لطف آن می توان مواد را وادار کرد به همان شیوه ای رفتار نمایند که از آنها انتظار می رود.

حالا به جای مقوا، ترکیبی از مواد را در نظر بگیرید که برخی از آنها می توانند آب را جذب و رشد نمایند و بخش های دیگرشان می توانند همچنان سختی خود را حفظ نمایند.این ماده را درون آب بیاندازید و تغییر شکلش را نگاه کنید. اگر فرایندهای خط انداختن و تا کردن این اشیاء را با دقت و هوشیاری کافی انجام دهید آنگاه دستاوردی قابل توجه خواهید داشت.

اما در وهله نخست ضروری است که پژوهشگران کنترل کافی را روی ماده انتخابی خود داشته باشند و با دقت پروسه پیاده سازی الگو توسط پرینتر را تحت نظر بگیرند. این را هم اضافه نماییم که چنین پروسه ای در مقیاس های کوچک تر که ورودی انرژی و  تفاوت های میان مواد می تواند تاثیرگذار باشد، بهتر جواب می دهد.

پرینت سه بعدی چند ماده ای (ماده ای متشکل از مواد مختلف) این امکان را برای پژوهشگران فراهم نمود که کنترل کافی را روی پروسه چاپ پیدا کنند اما نکته مهم این  است که دانشمندان باید ماده مناسب را برای این منظور پیدا می کردند.

اورگامی خودتاشو

وقتی مدیر آزمایشگاه MIT ایده خود را با شرکت Stratasys (که در زمینه پرینت سه بعدی پیشتاز است) در میان گذاشت، آنها ماده ای را به او نشان دادند که وقتی درون آب قرار می گرفت می توانست حدود 150 درصد رشد کند.

آب برای دستکاری اشیاء پرینت شده چهار بعدی ماده ای نوید بخش است زیرا طبیعت مملو است از اشیائی که وقتی در معرض رطوبت قرار می گیرند تغییر شکل می دهند و آن اشیاء نیز همان گیاهان هستند.

گیاهان  فاکتوری تحت عنوان سوگرایش را از خود به نمایش می گذارند؛ همان تمایلاتشان برای رشد کردن به شیوه ای معین که برپایه برخی عوامل محیطی نظیر نورخورشید (نورگرایی)، آب (رطوبت گرایی)، گرانش (جاذبه گرایی)، مواد شیمیایی (شیمی گرایی) و حتی تماس فیزیکی (تماس گرایی) تعریف می شود.

برای نمونه گیاهان بیشتر تمایل دارند که به سمت نور خورشید بچرخند زیرا نور هورمون اکسین را که باعث رشد گیاهان می شود از بین می برد. در نتیجه، آن وجهی از گیاه که از خورشید دور است زودتر از سمتی که به طرف آن قرار دارد رشد خواهد کرد و همین مساله باعث می شود که گیاه به سمت نور بچرخد. با کمی تصویرسازی ذهنی می توانیم دریابیم که چطور با دستکاری اصول فیزیکی متصل کننده مواد، محیط و انرژی اشیاء مد نظر خود را بسازیم.

رشد گیاهان الهام بخش دانشمندانی شد که روی حوزه پرینت چهار بعدی کار می کنند و با در نظر داشتن این مساله، شاید جای تعجب نداشته باشد اگر به اطلاع تان برسانیم که در سال 2016 تیمی از محققان هاروارد توانستند نوعی «ارکیده» پرینت شده چهار بعدی بسازند که وقتی در آب قرار می گرفت شکل گل را پیدا می کرد.

آن گل با استفاده از نوعی کامپوزیت هیدروژل تهیه شده بود که لایه به لایه درون پرینتر ساخته شده بود. دو جنبه مختلف از این فرایند رفتار گل را تعریف می کنند. نخست استفاده از هیدروژل که می تواند حجم بالایی از آب را به خود جذب نماید و دیگر این حقیقت که کامپوزیت ابداعی همچنین دربرگیرنده فیبرهای سلولزی بود؛ منظور فیبرهای کوچک و محکمی است که برای ساختار یک گیاه ضروری هستند.

چون سلولز همواره در یک مسیر شناخته شده حرکت کرده، تیم پژوهشگران هاروارد موفق شدند با استفاده از آن مشخص نمایند که کدام بخش ها بعد از قرار گرفتن در معرض رطوبت متورم شده و کدامیک سفت و سخت در جای خود بمانند.

تردیدی نیست که با گذر زمان، تجربیات و آزمایشات بیشتری با استفاده از مواد گوناگون در این حوزه انجام می گیرد و مثلا انتظار می رود که دانشمندان از رساناها برای ساخت مدارهای الکتریکی منعطف و پویا استفاده نمایند.

اما از سویی نیز شاهد استفاده روز افزون از واژه پرینت چهار بعدی خواهیم بود؛ برای نمونه شرکتی به نام Nervous System از تکنیک نوین خود برای پرینت سه بعدی پوشاک (در روش ابداعی این شرکت، لباس های مختلف با استفاده از گلبرگ های نایلونی که به شکلی دقیق کنار هم چیده شده اند و از طریق مفصل هایی به هم متصل گردیده اند، تهیه می گردند) تحت عنوان پرینت چهار بعدی یاد کرده است.

نگاهی بر آینده پرینت چهار بعدی

دنیای ماشین آلات نانو آغازگر مسیر مونتاژ خودبخودی بوده؛ علت هم تاحدودی این است که این ماشین ها می توانند تا حدودی hز ماهیت طرح های پیچیده و مقرون به صرفه ای الهام بگیرند که خود را مونتاژ می کنند، کمتر دچار خطا می شوند و هر جا لازم باشد خود را ترمیم می کنند.

البته انتقال این اصول به ماشین آلات دارای مقیاس انسانی امری چالش برانگیز بوده اما اگر راهکاری برای این منظور ابداع گردد، احتمالاتی که ممکن است در این صورت رنگ واقعیت به خود بگیرند، فوق العاده خواهند بود.

ارتش ایالات متحده آمریکا هم با در نظر داشتن همین امر، اخیرا 855 هزار دلار را به دانشگاه های هاروارد، پیتزبورگ و ایلینوی اختصاص داده تا دستاوردهای تحقیق آنها در این حوزه را در بخش های نظامی نیز داشته باشد و به عنوان نمونه از آنها در ساخت پل های خود مونتاژ کننده و یا قفسه های دارای این مشخصه بهره بگیرد. جالب است بدانید که برخی محققان در تلاشند تا این فناوری را در حوزه های مد و مبلمان نیز به خدمت بگیرند و به همین خاطر دور نخواهد بود روزی که در آن، شاهد ارائه لباس هایی خواهیم بود که طرح هایشان به صورت خودبخودی تغییر می کند یا برحسب نیاز کوتاه و بلند می شوند.

در هر حال، نکته مهم در مورد پرینت سه یا چهار بعدی انعطاف پذیری شان است. شرکت ها به لطف مدلسازی کامپیوتری سه بعدی میتوانند یک لباس یا کفش را بدون نیاز به برش یا دوخت و دوز اضافه برای اندام یک فرد بهینه سازی نمایند و در کمترین زمان نیز آن را پرینت نمایند.

در ادامه به لطف مواد چهار بعدی و علم هندسه، آن لباس می تواند خود را در واکنش به محرک هایی نظیر کشیده شدن یا فشار با بدن فرد منطبق نماید. یک کفش ورزشی هم می تواند در حین دریافت فشارهای بدنی فرد در مسابقه تنیس، سخت شود و پشتیبانی لازم را برای ورزشکار به ارمغان بیاورد.

اگر خبرها را دنبال کرده باشید حتما می دانید که شرکت BMW نوعی خودروی مفهومی را رونمایی کرده که طرح های چهاربعدی را درون «هندسه زنده» خود دارد.

ماشینی را تصور نمایید که بخش های داخلی و خارجی اش در پاسخ به تغییر  شرایط رانندگی می توانند شکل خود را تغییر دهند. در بخش بیرونی ماشین، پنل های چهار بعدی، می توانند نسبت به دما، جریان هوا، فرمان پذیری ماشین یا داده های دریافتی از طریق حسگر بهره وری ایرودینامیکی خود را تغییر دهند. در این ماشین، تایرها و ترمزها قادر خواهند بود در پاسخ به شرایط جاده ای تغییر کنند.

در آینده با کنار هم قرار گرفتن پرینت چهار بعدی و علم حیات تقلیدی، شاهد تولید محصولاتی خواهیم بود که برای بدن ما بهینه شده اند و به محرک های محیطی واکنش نشان می دهند.

البته روشن است که تکنولوژی پرینت چهار بعدی باید در این مسیر محدودیت های متعددی را کنار بزند تا به پتانسیل های کامل خود برسد. نخست اینکه این فرایند [حداقل در حال حاضر] با کندی به جلو حرکت می کند. از طرف دیگر، وابستگی آن به هندسه، کارکردها و قابلیت هایش را تا حدودی محدود می کند اما این مشکل احتمالا موقتی است.

نکته دیگری که باید به آن اشاره شود این است که مواد چهار بعدی برای رفع تغییر با مشکل روبرو هستند؛ بدان معنا که بعد از تغییر نمی توانند به شکل اولیه شان بازگردند یا اینکه قادر به جابجا شدن میان وضعیت های مختلف تعریف شده برای آنها نیستند. در هر حال اینکه پرینت چهار بعدی می تواند تحول عظیم بعدی باشد یا خیر مساله ایست که صرفا به گذشت زمان مشخص می گردد.