تحويل التلوث إلى روبوتات
كل عام، ينتج تكرير البترول عشرات الملايين من الأطنان المترية من الكبريت الأولي كمنتج ثانوي. يتم تخزين الجزء الأكبر من هذا الكبريت في كتل ضخمة بالقرب من مصافي التكرير أو يُستخدم في تطبيقات صناعية محدودة مثل إنتاج الأسمدة. وهو يمثل أحد أكثر مشاكل إدارة النفايات وضوحاً في صناعة النفط.
وجدت فريق بحثي كوري طريقة لتحويل هذا التيار من النفايات الصناعية إلى روبوتات رخوة متحركة ذاتياً وقابلة لإعادة التدوير بالكامل. باستخدام طريقة 4D printing تم إثباتها لأول مرة، أنتج الفريق بقيادة Dr. Dong-Gyun Kim من Korea Research Institute of Chemical Technology، والأستاذ Jeong Jae Wie من Hanyang University، والأستاذ Yong Seok Kim من Sejong University فئة جديدة من المواد تجمع بين الاستدامة والروبوتات المتقدمة بطريقة غير متوقعة.
ما هي طباعة 4D؟
تنتج الطباعة 3D العادية أشياء ثابتة - أشكال ثابتة بعد عملية الطباعة. تضيف طباعة 4D بعداً رابعاً: الزمن. الأشياء المُنشأة من خلال 4D printing مصممة لتغيير شكلها أو بنيتها أو خصائصها بعد التصنيع عند تعرضها لمحفزات بيئية محددة. والنتيجة هي جسم مطبوع وليس منتجاً نهائياً بل مادة مبرمجة تتصرف بشكل ديناميكي استجابة لبيئتها.
جعل الفريق الكوري هذا ممكناً بهندسة فئة جديدة من البوليمرات الغنية بالكبريت تسمى شبكات poly(phenylene polysulfide)، أو PSN. يتم تصنيع هذه البوليمرات من الكبريت الأولي والجزيئات العطرية الصغيرة من خلال تفاعل يسمى inverse vulcanization — عملية تحول شكل الكبريت غير المستقر والبلوري إلى بوليمر مستقر وعديم الشكل مع خصائص ميكانيكية قابلة للبرمجة.
كيف تتحرك الروبوتات
مواد PSN حساسة للمحفزات — تغير أبعادها الفيزيائية أو سلوكها الميكانيكي عند التعرض لمحفزات خارجية. أثبت الفريق الاستجابة لثلاثة محفزات مختلفة: الحرارة، والضوء (من خلال photothermal conversion)، والمجالات المغناطيسية عند الخلط مع جزيئات نانوية مغناطيسية.
بتصميم هندسة هياكل 4D-printed من PSN واختيار مكان وضع تركيبات المواد المختلفة داخل تلك الهياكل، يمكن للباحثين برمجة تسلسلات تشوه محددة — ينحني الروبوت عند تسخينه، ويستقيم عند تبريده، ينحني نحو مجال مغناطيسي. تنتج هذه السلوكيات الميكانيكية المبرمجة، جنباً إلى جنب مع قدرة المادة على التشوه الكبير والعكسي، حركة مستقلة عندما يتم وضع الروبوت في بيئة مناسبة.
مزايا إعادة التدوير
واحدة من أهم الخصائص التجارية والبيئية لروبوتات PSN الرخوة هي إمكانية إعادة تدويرها. على عكس elastomers التقليدية المستخدمة في الروبوتات الرخوة، تحتوي شبكات PSN على روابط كبريتية تساهمية ديناميكية يمكن قطعها وإصلاحها في ظل ظروف مناسبة. يمكن إذابة روبوت PSN التالف أو في نهاية حياته الإنتاجية، وإعادة معالجته وإعادة طباعته دون خسارة مادية كبيرة — دورة حياة مادية حقيقية دائرية.
الجمع بين المواد الخام المشتقة من النفايات ودورة حياة المادة القابلة لإعادة التدوير يعطي منصة PSN ملف استدامة غير عادي في أبحاث المواد المتقدمة. تنطوي معظم المواد عالية الأداء على مكونات نادرة أو يصعب إعادة تدويرها؛ يبني نهج PSN الأداء من تيار نفايات وفير ويحافظ على تلك المادة في شكل قابل للاسترجاع طوال دورة حياة المنتج.
التطبيقات المحتملة
الروبوتات الرخوة — روبوتات مصنوعة من مواد متوافقة وقابلة للتشوه بدلاً من الهياكل الصلبة — لها تطبيقات حيث تكون الروبوتات التقليدية غير مناسبة. الأجهزة الطبية بالتدخل الأدنى التي تتنقل عبر تجاويف الجسم، والمشابك التي تتعامل مع الأشياء الحساسة دون ضرر، وروبوتات التفتيش التي تمر عبر المساحات الضيقة غير المنتظمة، وروبوتات البحث والإنقاذ التي تتشوه لتناسب الأنقاض هي جميع مناطق تطوير الروبوتات الرخوة النشطة. تضع منصة PSN استجابتها المستقلة للمحفزات البيئية، جنباً إلى جنب مع إمكانية إعادة تدويرها والمواد الخام المشتقة من النفايات، كمساهمة محتملة كبيرة في هذا المجال.
تستند هذه المقالة إلى تقارير من Interesting Engineering. اقرأ المقالة الأصلية.
Originally published on interestingengineering.com
