هندسة المستحيل: كيف تعيد المواد الخارقة والذكاء الاصطناعي تعريف علم المواد

التقدم في المواد الخارقة، الذي يسهله الذكاء الاصطناعي، إنشاء مواد ذات خصائص جديدة ومتانة معززة، مما يعد بآثار كبيرة في مجالات متعددة.

يتم تحديد خصائص المواد العادية، مثل الصلابة والمرونة، من خلال التركيب الجزيئي للمادة، ولكن يتم تحديد خصائص المواد الخارقة من خلال هندسة البنية التي بنيت منها. يقوم الباحثون بتصميم هذه الهياكل رقميًا ومن ثم طباعتها ثلاثية الأبعاد.

يمكن أن تظهر المواد الخارقة الناتجة خصائص غير طبيعية ومتطرفة. على سبيل المثال، صمم الباحثون مواد خارقة تتصرف كالسائل، على الرغم من كونها صلبة.

“تقليديًا، يستخدم المصممون المواد المتاحة لهم لتصميم جهاز أو آلة جديدة. المشكلة في ذلك هي أن نطاق خصائص المواد المتاحة محدود. بعض الخصائص التي نرغب في الحصول عليها، غير موجودة في الطبيعة. نهجنا هو: أخبرنا بما تريد الحصول عليه كخصائص، وسنقوم بتصميم مادة مناسبة بهذه الخصائص. يقول البروفيسور أمير زادبور من قسم الهندسة الميكانيكية الحيوية: “ما ستحصل عليه بعد ذلك، ليس في الحقيقة مادة، بل شيء ما بين الهيكل والمادة، مادة خارقة”.

تصميم معكوس

تتطلب عملية اكتشاف المواد هذه حل ما يسمى بالمشكلة العكسية: مشكلة العثور على الشكل الهندسي الذي يؤدي إلى ظهور الخصائص التي تريدها. من الصعب جدًا حل المشكلات العكسية، وهنا يأتي الذكاء الاصطناعي في الصورة. طور باحثو جامعة TU Delft دلفت للتكنولوجيا نماذج تعلم عميقة تحل هذه المشكلات العكسية.

“حتى عندما تم حل المشكلات العكسية في الماضي، فقد كانت محدودة بالافتراض المبسط القائل بأن الهندسة صغيرة الحجم يمكن صنعها من عدد لا حصر له من وحدات البناء. المشكلة في هذا الافتراض هي أن المواد الاصطناعية عادة ما يتم تصنيعها عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد وأن الطابعات ثلاثية الأبعاد الحقيقية لها دقة محدودة، مما يحد من عدد وحدات البناء التي تناسب جهازًا معينًا.

نماذج الذكاء الاصطناعي التي طورها باحثو جامعة TU Delft تفتح آفاقًا جديدة من خلال تجاوز أي من هذه الافتراضات المبسطة. “لذلك يمكننا الآن أن نسأل ببساطة: ما هو عدد وحدات البناء التي تسمح لك تقنية التصنيع الخاصة بك باستيعابها في جهازك؟ ثم يعثر النموذج على الشكل الهندسي الذي يمنحك الخصائص المطلوبة لعدد وحدات البناء التي يمكنك تصنيعها بالفعل.

إطلاق الإمكانات الكاملة

إحدى المشاكل العملية الرئيسية التي تم إهمالها في الأبحاث السابقة هي متانة المواد الاصطناعية. تنكسر معظم التصميمات الموجودة بمجرد استخدامها عدة مرات. وذلك لأن أساليب تصميم المواد الأولية الحالية لا تأخذ في الاعتبار المتانة. “حتى الآن، كان الأمر يتعلق فقط بالخصائص التي يمكن تحقيقها. تأخذ دراستنا في الاعتبار المتانة وتختار التصميمات الأكثر متانة من بين مجموعة كبيرة من المرشحين للتصميم. يقول زادبور: “هذا يجعل تصميماتنا عملية حقًا وليست مجرد مغامرات نظرية”.

تبدو إمكانيات المواد الاصطناعية لا حصر لها، لكن الإمكانات الكاملة بعيدة عن أن تتحقق، كما يقول الأستاذ المساعد محمد ج. ميرزالي، المؤلف المقابل للنشرة. وذلك لأن العثور على التصميم الأمثل للمادة الاصطناعية لا يزال يعتمد إلى حد كبير على الحدس، وينطوي على التجربة والخطأ، وبالتالي يتطلب عمالة كثيفة. إن استخدام عملية التصميم العكسي، حيث تكون الخصائص المطلوبة هي نقطة البداية للتصميم، لا يزال نادرًا جدًا في مجال المواد الخارقة. “لكننا نعتقد أن الخطوة التي اتخذناها ثورية في مجال المواد الخارقة. ويمكن أن يؤدي إلى جميع أنواع التطبيقات الجديدة.” هناك تطبيقات محتملة في زراعة العظام، والأدوات الجراحية، والروبوتات الناعمة، والمرايا التكيفية، والبدلات الخارجية.

تاريخ وتطور علم المواد

برع علماء مسلمون قديماً في هذا العلم وخصوصاً في علم المعادن، ومنهم ابن سينا والذي يعتبر أول من درس وصنّف المعادن، والبيروني مؤلف كتاب “الجاهر في معرفة الجواهر» الذي يتناول علم المعادن، والتيفاشي صاحب كتاب «أزهار الأفكار في جواهر الأحجار» الذي يصف فيه المعادن والأحجار الكريمة، وكذلك ابن الأكفاني مؤلف كتاب «نخب الذخائر في أحوال الجواهر”.

وقد تطور علم المواد الحديث من علم الفلزات الذي تطور بدوره من مجال التعدين. وقد حدثت طفرة كبيرة في فهم علوم المواد أثناء القرن التاسع عشر عندما أثبت جوزيه ويلارد قيبس أن الخواص التحريك الحراري للتركيب الذري في مختلف حالات المادة ترتبط بالخواص الفيزيائية للمادة، وقد جاءت الكثير من المواد الجديدة كنتيجة للسباق الفضائي، ومن بينها السبائك المعدنية ومواد الكربون والسيليكون التي تستخدم في بناء مركبات الفضاء، وقد كان علم المواد عاملا دافعا لتطوير تقنيات لمواد أحدثت تغيرات ثورية مثل اللدائن وأشباه الموصلات مثل (السيليكون والأنتيمون)

المرجع: “التعلم العميق للتصميم العكسي غير المتناسب مع الحجم للمواد الميكانيكية المطبوعة ثلاثية الأبعاد للشبكة العشوائية” بقلم هيلدا باهلافاني، وكوستاس تسيفوتيس-كازوليس، وموريسيو سي. سالديفار، وبريك مودي، وجي تشو، ومحمد ج. ميرزالي، وأمير أ. زادبور، 30 أكتوبر 2023، المواد المتقدمة .