سمیرا گلکار
فهرست عنوان‌ها
تصور کنید که ماشین‌ها و ساختارهایی که هر روز استفاده می‌کنیم، از قفسه‌های کتاب گرفته تا بلوک‌های آپارتمان به صورت خودکار سرهم شوند. به این ترتیب دیگر نیازی به پیچ و آچار و جرثقیل وجود نخواهد داشت و فقط یکسری ماده چاپ شده با فناوری چاپ 3 بعدی داریم که خودشان می‌دانند چطور خم شوند، پیچ بخورند و تا شوند درست مثل گیاهی که در یک ویدیوی تایم لپس به سرعت رشد می‌کند.
به عبارت دیگر می‌توانستیم اشیائی را چاپ کنیم که چهار بعدی هستند.
واقعیت این است که همه چیز 4 بعدی است – البته در اصل به گفته فیزیکدانان 10 بعد یا حتی بیشتر – اما ما انسان‌ها دنیا را بیشتر بر اساس طول، عرض و ارتفاع ارزیابی می‌کنیم. بعد چهارم زمان است که ما آن را دشمن تلقی می‌کنیم و همه سعی خودمان را می‌کنیم که با آن مقابله کنیم (دانشمندان هنوز درباره اینکه بعد پنجم چیست به اتفاق نظر نرسیده اند).
آزمایشگاه Self-Assembly دانشگاه MIT از فناوری استفاده می‌کند که موادی هوشمند با قابلیت تاشوندگی به صورت خودکار را چاپ می‌کند که امکان تغییر شکل آن وجود دارد.
با کنترل زمان، می‌توانیم دیوارها و لوله‌هایی بسیار قوی بسازیم که حتی با گذشت زمان امکان تعمیر کردن آنها وجود دارد چون ساخت و ساز نیاز به صرف زمان، هزینه و تلاش دارد و مایل نیستیم که بارها و بارها این کار را انجام دهیم. اما اگر زمان دشمن ما نبود شرایط چطور رقم می‌خورد؟ ساختاری را تصور کنید که بتواند مثل اوریگامی خودش را باز کند. تصور کنید که دیوارها می‌توانستند در برابر تغییر بار خم شده یا محکم تر شوند و یا اینکه لوله‌های تعبیه شده زیر زمین یا داخل دیوارها می‌توانستند شکلشان را متناسب با تغییرات حجم آب تغییر دهند یا مثل سیستم گوارش انسان، با حرکت کردن، آب را پمپاژ کنند. با چاپ چهار بعدی هیچ چیز غیرقابل تغییر نیست مگر اینکه شما بخواهید این طور باشد.
اگر محققان و تولیدکنندگان بتوانند این فناوری را محقق کنند، چاپ 4 بعدی می‌تواند صنعت تولید را به کلی دگرگون کند. شرکت‌ها می‌توانند خانه، ابزار و ماشین آلات چاپ کنند سپس آنها را به راحتی بسته بندی کرده و به هر جا نیاز بود – جاهایی که در آنها حادثه رخ داده یا برای محیط‌هایی مثل فضا و کف اقیانوس – ارسال کنند. بنابراین ممکن است شرایطی که برای انسان آسیب آفرین است، به تغییر شکل و ویژگی‌های اجسام کمک کند آن هم نه فقط یک بار بلکه چندین بار.
محوریت اصلی همه این مفاهیم فیزیک، شیمی و هندسه‌ای است که در پس بیشتر فرایندهای روزمره قرار دارد. مثلاً تغییر حالت موها هنگام وزیدن باد را در نظر بگیرید. وجود یک ماده مبتنی بر آب در هوا باعث می‌شود که پروتئین‌های کراتین یک به هم پیوستگی نسبتاً غیرطبیعی پیدا کنند که باعث می‌شود موها به جای صاف شدن به هم بپیچند (منبع: Stromberg). یا یک صندلی خاص که امکان دمیدن هوا در آن وجود دارد را در نظر بگیرید که وقتی هوا وارد آن می‌شود به دلیل اینکه هر قسمت آن یک ساختار مشخص دارد، شکلی قابل پیش بینی پیدا می‌کند.
نیاز نیست که انسان‌ها اشیای چهار بعدی را بسازند و این اشیاء ربات‌هایی نیستند که برای کار کردن به میکروچیپ، سروو و آرمیچر نیاز داشته باشند. تنها برنامه ریزی که روی این اشیاء صورت گرفته هندسه، فیزیک و شیمی موجود در ساختار آنهاست.
افزودن ابعاد
لباس کرومات آدرنالین از پنل‌های 3 بعدی چاپ شده تشکیل شده و مجهز به ماژول Curie اینتل است. 4 بعدی بودن این لباس از این جهت است که وقتی وجود آدرنالین در بدن کاربر را تشخیص دهد، بازتر می‌شود.
چاپ چهار بعدی در اصل ترکیبی از چاپ 3 بعدی و یک حوزه جدید به اسم سرهم شدن خودجوش (سلف اسمبلی) است. سرهم شدن خودجوش یعنی تغییر خودجوش ساختار یک شی و تبدیل آن به یک شی کاربردی تر و بزرگتر. این حوزه به دو دلیل مسلم در عرصه نانو تکنولوژی محبوب است. اول اینکه تا امروز سلف اسمبلی در سطح نانو انجام شده و عامل اصلی اجرای فرایندهای مختلف از تاشدن پروتئین‌ها تا شکل گیری کریستال‌ها است (منبع). دوم اینکه ما پیچ و آچار و چکش‌هایی که قابلیت ساختن ماشین‌هایی در سطح مولکولی را داشته باشند نداریم و این کار باید به صورت خودکار انجام شود.
اما اگر می‌توانستیم سرهم شدن خودجوش را به بدن انسان توسعه دهیم امکان تولید محصولات به روشی ساده تر و ارزان تر را پیدا می‌کردیم یا می‌توانستیم به فناوری‌هایی کاملاً جدید دست پیدا کنیم (منبع). انجام این کار معمولاً سخت و دردسرآور است. حتی در شرایط ایده آل انجام این کار مستلزم در هم شکستن توالی اسمبلی، طراحی اجزای مختلف قابل برنامه ریزی و دسترسی به منبع انرژی است. ساختن روش‌هایی برای اصلاح خطا هم ایده بدی نیست (منبع: Tibbits) اما معمولاً نیاز به ابزارها و مواد خاصی برای انجام این کار داریم.
به دنیای چاپ سه بعدی خوش آمدید! گرچه هنوز هم روش‌های جدید در حال شکل گیری هستند اما به طور کلی چاپ سه بعدی شامل قرار دادن پی در پی لایه‌های تعیین شده پلیمر با دقت زیاد بر روی یک بستر چاپ است. با مستحکم شدن لایه‌های جدید و ادغام آنها با لایه‌های زیرین، یک شکل سه بعدی پدیدار می‌شود. مدل‌های اولیه تنها قادر به چاپ یک ماده در هر بار بودند اما چاپگرهای سه بعدی جدیدتر می‌توانند با رسانه‌های چاپ متنوع تری کار کنند و همزمان بیشتر از یک ماده را چاپ کنند. این پیشرفت برای چاپ چهار بعدی اهمیت زیادی دارد چون کار با مواد مختلف به طراحان امکان می‌دهد در حوزه‌هایی طراحی کنند که نیازمند سفت شدن، انعطاف پذیر شدن، متورم شدن یا خم شدن اشیاء به روش‌هایی خاص است. به این ترتیب می‌توانند موادی بسازند که مثل اسفنج آب را به خود جذب می‌کند یا وقتی در معرض نور قرار بگیرد جریان الکتریکی ایجاد می‌کند. در صورتی که درست از ابعاد و هندسه استفاده شود، هیچ محدودیتی در این زمینه وجود نخواهد داشت.
آزمایشگاه Self-Assembly در دانشگاه MIT این ماده را ماده قابل برنامه ریزی می‌نامد – روشی در علوم، مهندسی و مواد که تمرکز آن ساخت موادی است که امکان کدگذاری آنها برای تغییر شکل یا تغییر عملکرد وجود دارد. یکی از کاربردهای ماده قابل برنامه ریزی، چاپ چهار بعدی است (منبع: MIT).
بازار مواد قابل جهش
در گزارشی که سال 2015 توسط شرکت تحقیقاتی Marketsandmarkets منتشر شد، پیش بینی شد که تا سال 2025 چاپ چهار بعدی هر سال به رشد 555.6 میلیون دلاری برسد. در این گزارش تصور شده که تکنولوژی 4 بعدی در کوتاه مدت به مرحله تجاری سازی می‌رسد اما پیشرفت اولیه آن به کندی صورت می‌گیرد چون هزینه‌های حرکت به سمت این فناوری زیاد است. صنایع هوافضا، دفاعی و ارتش جزء اولین مشتری‌های این حوزه تلقی می‌شوند اما صنایعی مثل خودروسازی، مراقبت‌های بهداشتی، نساجی، ساخت و ساز، آب، برق، گاز، مخابرات هم می‌تواند جزء مشتریان آن باشد (منبع: Halterman).
ماده قابل برنامه ریزی: آینده در گروی هندسه
اسكايلر تیبتز مدیر لابراتوار Self-Assembly دانشگاه MIT همراه تیمش جزء نوآوران این عرصه است.
محققان دانشگاه MIT تنها کسانی نیستند که روی فناوری چاپ 4 بعدی کار می‌کنند اما آزمایشگاه Self-Assembly این دانشگاه جزء اولین‌های این حوزه بوده که یکی از دلایل آن سخنرانی‌های اسكايلر تیبتز رئیس این دانشگاه در کنفرانس تد است.
محققان این آزمایشگاه اولین بار با ساختن ربات‌های بزرگ، ساده و خودساز وارد این حوزه شدند و وقتی متوجه هزینه‌های بالای این کار شدند تصمیم به ساختن مواد و اشکالی گرفتند که منطق در آنها نهادینه شده است.
آنها در سال 2010 ماده منطق (Logic Matter) را ساختند. این ماده متشکل از یکسری اشکال در هم تنیده است که می‌توانند مسائل محاسباتی را تنها با ساختار هندسی خودشان حل کنند.
به طور کلی کامپیوترها با استفاده از گیت‌های منطقی کار می‌کنند که صفر و یک‌ها را ترکیب کرده و در نهایت به یک پرسش پاسخ بله یا خیر می‌دهند. در این روش از جبر دودویی یا بولین استفاده می‌شود. در این منطق سوالاتی مثل این پرسیده می‌شود که “آیا هر دو ورودی 1 هستند؟” یا “آیا یکی از ورودی‌ها 1 است؟” آزمایشگاه تیبتز هم همین سوال را می‌پرسد اما به جای حالت‌های خاموش/روشن الکتریکی معمولی که نشان صفر و یک هستند، از اجسام چند وجهی پیچیده استفاده می‌کند. ورودی‌های این سیستم متشکل از جاسازی اشکال به شکل و فرم‌هایی خاص است. به این ترتیب یک پیکربندی خاص شکل می‌گیرد که امکان اتصال شکل بعدی – خروجی – به صورت روبه بالا (پاسخ بله) یا رو به پایین (پاسخ خیر) را فراهم می‌کند و با این روش پاسخ سوال مشخص می‌شود.
ماده منطقی به سطح سرهم شدن خودجوش نرسیده چون خود انسان باید این قطعات را سرهم کند اما ابداع آن گام مهمی در این حوزه بود و نشان داد که می‌توان دستورالعمل‌هایی را در این ماده تعبیه کرد (منبع: Tibbits). پس از ابداع این ماده محققان آزمایشگاه Self-Assembly تصمیم به طراحی آیتم‌هایی بیشتری از این نوع گرفتند یعنی اشکالی هندسی که در صورت رول شدن یا تکان خوردن در یک مخزن ترکیب می‌شوند، زنجیره‌هایی که هنگام تکان خوردن شکل خاصی به خود می‌گیرند و غیره.
به این ترتیب گام مهم بعدی برداشته شد یعنی ترکیب کردن یکسری تمایلات هندسی درونی خاص با ورودی‌هایی به فرم انرژی (یا یک عامل محیطی دیگر) برای تحریک به انجام یک کار.
اما منظور از تمایلات هندسی چیست؟ اگر تا به حال سعی کرده باشید که از مقوا (یا چوب یا فلز) چیزی درست کنید، در جریان هستید که اگر آن را به نوعی پرداخت و آماده سازی کنید راحت تر خم می‌شود. همین پرداخت کردن یک نوع برنامه ریزی محسوب می‌شود و باعث می‌شود احتمال عمل کردن ماده به نحوی که شما می‌خواهید بیشتر شود. حالا به جای این مقوا ترکیبی از مواد را در نظر بگیرید که بعضی از آنها قابلیت جذب آب و بزرگ شدن را دارند و بعضی دیگر همچنان سفت و محکم باقی می‌مانند. کافیست این مواد را در آب قرار داده و تغییر شکل آنها را تماشا کنید. خم شدن و پرداخت کردن آنها را با دقت انجام دهید تا یک شی کاملاً خاص و ویژه بسازید.
اما اول از همه نیاز به کنترل دقیق بر مواد مورد استفاده خودتان و الگوی قرار دادن آنها کنار هم دارید و این روش در مقیاس‌های کوچکتر که در آنها ورودی‌های انرژی و تفاوت‌های ماده تأثیرات بیشتری دارند، بهتر کار می‌کند. چاپ سه بعدی چند ماده‌ای کنترل بیشتری برای محققان فراهم کرده اما برای کار با این فناوری نیاز به مواد مناسب دارید.
اوریگامی‌های خودتاشو
تیمی از محققان دانشگاه هاروارد، یک ارکیده درست کردند که وقتی در آب قرار بگیرد شکل خاصی به خود می‌گیرد.
وقتی تیبتز در شرکت استراتاسیس که در حوزه چاپ سه بعدی فعالیت دارد ایده‌های خودش را توضیح داد، آنها ماده‌ای به او نشان دادند که وقتی در آب قرار می‌گیرد 150 درصد بزرگتر می‌شود. آب، ابزاری مناسب برای دستکاری اشیای 4 بعدی است چون در طبیعت اشیای مختلفی هستند که وقتی در معرض رطوبت قرار می‌گیرند تغییر شکل می‌دهند. ما به چنین موادی گیاهان یا نباتات می‌گوییم.
گیاهان یک گرایش خاص (tropisms) دارند و بر اساس عوامل محیطی مثل نور خورشید، آب، جاذبه زمین، مواد شیمیایی و حتی تماس فیزیکی تغییر شکل پیدا می‌کنند. مثلاً گیاهان تمایل به خم شدن به سمت آفتاب دارند چون نور خورشید هورمون‌هایی به اسم اکسین را می‌کشد و منجر به رشد می‌شود. در نتیجه، سمتی از گیاه که از نور خورشید دور باشد سریع تر از سمتی که رو به آن است رشد می‌کند تا گیاه به سمت نور حرکت کند. با کمی تفکر می‌توان به راحتی درک کرد که شاید بتوانیم اشیاء را طوری دستکاری کنیم که با توجه به شرایط مواد، محیط و انرژی خم شوند.
با توجه به الهام گرفتن دانشمندان از چاپ 4 بعدی، شاید جای تعجب نیست که محققان دانشگاه هاروارد توانستند در سال 2016 یک ارکید 4 بعدی بسازند که وقتی در آب قرار می‌گیرد تغییر شکل پیدا می‌کند. این گل با استفاده از یک ترکیب هیدروژلی چاپ شده که لایه‌های آن یکی پس از دیگری روی یک بستر چاپ قرار می‌گیرند (منبع: McAlpine).
دو جنبه خاص از فرایند چاپ منجر به این رفتار شده اند. اولی، استفاده از هیدروژل است که می‌تواند آب زیادی به خود جذب کند. دومی، وجود این واقعیت است که این ترکیب حاوی فیبریل سلولز است – فیبرهای قوی و کوچکی که برای حفظ ساختار گیاه ضروری هستند. از آنجایی که سلولز همیشه یک جهت خاص را دنبال می‌کند این تیم از محققان توانستند با دقت الگوی آن را تنظیم کنند تا کنترل اینکه چه بخش‌هایی در صورت تماس با آب تغییر کرده و چه بخش‌هایی ثابت باقی می‌مانند را تحت اختیار بگیرند (منبع: McAlpine).
جای تردید نیست که به مرور زمان آزمایشات بیشتری با استفاده از مواد مختلف انجام خواهد گرفت و مثلاً شاهد ساختن مدارهای الکتریکی پویا و انعطاف پذیری خواهیم بود اما ممکن است اصطلاح چاپ 4 بعدی هم مثل اکثر اصطلاحات داغ و پرطرفدار به حوزه‌های مختلف گسترش پیدا کند. مثلاً شرکتی به اسم Nervous System تکنیک خاصی برای چاپ سه بعدی ابداع کرده که لباس‌هایی را از گلبرگ‌های نایلونی که توسط یکسری اتصالات به هم پیوند خورده اند تولید می‌کند – یعنی شبیه به چاپ 4 بعدی (منبع: Rosencranz)
در ادامه نگاهی به آینده چاپ 4 بعدی خواهیم داشت.
آینده چاپ چهار بعدی
اگر امکان استفاده از فناوری تاشوی خودکار دانشگاه MIT برای لوازم و مبلمان منزل وجود داشت شاهد تحولات مهمی بودیم و حتی ممکن بود بتوانیم تجهیزات مراقبت‌های پزشکی را به صورت شخصی سازی شده تهیه کنیم.
دنیای نانومکانیک هم به نوعی وارد جاده سلف اسمبلی شده به این دلیل که می‌تواند از طبیعت برای ایجاد طراحی‌هایی کارآمد و پیچیده‌ای الهام بگیرد که به صورت خودجوش سرهم می‌شوند، به ندرت دچار اشتباه می‌شود و هر جا لازم بود به صورت خودکار اصلاح و ترمیم می‌شوند. تبدیل این مفاهیم به مقیاسی در سطح انسانی کار چالش برانگیزی است اما اگر درست کار کند می‌تواند تأثیرات شگفت انگیزی داشته باشد. ارتش آمریکا نیز برای انجام این کار سرمایه‌ای 855 هزار دلاری را بین دانشگاه‌های هاروارد، پیتسبرگ و ایلینوی توزیع کرده تا هزینه تحقیقاتی نظامی مثل پناهگاه‌ها و پل‌های خود تعمیر شونده را تأمین کند (منبع Campbell-Dollaghan).
پیش از این هم اشاره کردیم که حوزه مد و طراحی مبلمان و اثاثیه یک حوزه جذاب و سودآور برای عرضه این فناوری جدید است و با توجه به اینکه واضح است که در این حوزه نمی‌توان از یک اندازه و راهکار برای همه استفاده کرد، چنین کاربردهایی می‌تواند در این حوزه جذابیت‌های خاصی داشته باشد. به احتمال زیاد به زودی شاهد طراحی‌هایی خواهیم بود که الگوها و خطوط آنها طبق فرمان تغییر می‌کند.
در واقع بیشتر جذابیت چاپگرهای سه بعدی و چهار بعدی انعطاف پذیری آنهاست. با مدل سازی سه بعدی کامپیوتری، شرکت‌ها می‌توانند لباس یا کفش‌ها را طوری تنظیم کنند که بدون نیاز به هر گونه برش یا تغییری برای همه مناسب باشند و فقط یک بار آنها را پرینت کنند (منبع: Rosencranz). می‌توان با استفاده درست از مواد و هندسه کاری کرد که لباس‌ها در واکنش به نیروهایی مثل کشش و فشار تغییر اندازه داده و تطبیق پیدا کنند. مثلاً می‌توان کفش طراحی شده برای ورزش دو را طوری طراحی کرد که هنگام تشخیص فشارهای ناشی از مسابقه تنیس پشتیبانی و استحکام لازم را فراهم کند.
شرکت بی ام وی خودرویی مفهومی طراحی کرده که در طراحی آن از اصول طراحی 4 بعدی استفاده شده و این شرکت آن را هندسه زنده می‌نامد. تصور کنید که قطعات داخلی یا خارجی خودرو متناسب با تغییرات شرایط رانندگی، تغییر شکل می‌دادند. خارج خودرو پنل‌های 4 بعدی قرار دارند که متناسب با دما، گردش هوا، حرکت فرمان یا ورودی‌های حسگرها تغییر می‌کنند تا بهره وری ایرودینامیکی را به حداکثر برسانند. لاستیک‌ها و ترمزها هم متناسب با شرایط جاده تغییر می‌کنند (منبع: Vijayenthiran).
در آینده، با ترکیب فناوری چاپ 4 بعدی و زیست‌تقلید (biomimetics) شاهد طراحی دستگاه‌های پزشکی خواهیم بود که متناسب با بدن ما طراحی شده اند، حتی اعضای بدنی که متناسب با محیط تغییر می‌کنند (منبع: Grunewald). به این حوزه پزشکی شخصی سازی شده گفته می‌شود.
البته چاپ 4 بعدی باید برای رسیدن به پتانسیل کامل بر موانع مختلفی غلبه کند. اول اینکه در حال حاضر این فرایند بسیار بسیار کند است و وابستگی آن به هندسه باعث شده کارهای قابل انجام با آن محدود باشد اما ممکن است این محدودیت موقتی باشد. از جمله مشکلات جدی تر می‌توان به فشارهایی اشاره کرد که در مواد وجود دارد و یا نقاط شکست احتمالی ناشی از هندسه خاص آنها. بعلاوه، در بعضی مواقع مواد 4 بعدی به راحتی قابل تغییر نیستند – یعنی در شکل و فرم جدید باقی می‌مانند و نمی‌توانند به حالت قبل برگردند یا اینکه بین حالت‌های مختلف طراحی شده برای آنها جابجا شوند (منبع: Wassmer).
اینکه آیا چاپ چهار بعدی یک پدیده زودگذر است یا حاصل کنجکاوی انسان و یا یک پدیده نوظهور و جذاب جدید، فقط با گذشت زمان مشخص می‌شود.
سرعت چاپ سه بعدی رو به افزایش است
یکی از مهم ترین مشکلات چاپ سه بعدی کندی بسیار زیاد آن است اما در کنفرانس تد 2015 شرکت Carbon3D فناوری جدیدی ابداع کرد که ممکن است این تکنولوژی را پیشرفته تر کند. این فناوری به جای روش تطبیقی که در پرینترهای فعلی موجود است از اکسیژن و نور برای رشد اشیاء همزمان با بیرون کشیدن آنها از یک حمام رزین استفاده می‌کند، در فرایندی که به نوعی شبیه به رشد پرسرعت کریستال است (منبع: DelViscio).
اطلاعات جانبی
هنوز چاپ چهار بعدی در ابتدای راه قرار دارد. قطعاً هنوز نمی‌توان قضاوت کرد که این فناوری چیزی فراتر از یک ترفند بازاریابی برای مجموعه‌ای از ایده‌های به هم مرتبط است یا خیر اما خیلی‌ها به این فناوری امید دارند و البته اگر این فناوری بتواند حتی درصدی از آنچه انتظار می‌رود را انجام دهد، تحولات چشمگیری به وجود خواهد آورد. کافیست نگاهی به پیشرفت‌های چاپ سه بعدی در چند دهه اخیر داشته باشیم.
البته ممکن است این سوال ایجاد شود که آیا محدودیتی در سرعت عمل فناوری‌های سرهم شدن به صورت خودجوش وجود دارد یا نه. سرعت رشد، تغییر و خم شدن یک ماده بدون نیاز به تغییر چشمگیر آن محدودیت‌هایی دارد. باز هم همانطور که قبلاً اشاره شد ممکن است با جمع کردن حجم کافی انرژی در یک سیستم خاص بتوان از بروز چنین مشکلاتی پیشگیری کرد به این شرط که این مواد بتوانند فشار را تحمل کنند.
