متحول شدن رباتهای نرم به کمک «چاپ چهاربعدی»
- مجموعه: اختراعات جدید
به گزارش ایسنا، چاپ سهبعدی که با نام «ساخت افزایشی» نیز شناخته میشود، روشی است که در آن یک جسم سهبعدی به صورت لایهبهلایه و بر اساس یک مدل دیجیتال ساخته میشود. در این فرآیند، چاپگر با استفاده از موادی مانند پلاستیک، فلز، رزین یا ترکیبات پیشرفته، لایهها را روی هم قرار میدهد تا در نهایت شکل نهایی ایجاد شود. این فناوری در سالهای اخیر تحول بزرگی در تولید قطعات صنعتی، پزشکی و حتی محصولات مصرفی ایجاد کرده است، زیرا امکان ساخت سریع، دقیق و سفارشی را فراهم میکند.
در ادامه این پیشرفتها، مفهوم «چاپ چهاربعدی» مطرح شد. در این فناوری، علاوه بر سه بعد طول، عرض و ارتفاع، بعد «زمان» نیز وارد فرآیند طراحی میشود. به این معنا که شیء چاپشده میتواند پس از تولید و در طول زمان، در واکنش به محرکهای محیطی مانند دما، رطوبت، نور یا میدان مغناطیسی تغییر شکل دهد یا رفتار متفاوتی نشان دهد. این قابلیت با استفاده از «مواد هوشمند» مانند پلیمرهای حافظهدار و هیدروژلها امکانپذیر میشود. مواد حافظهدار میتوانند پس از تغییر شکل، در شرایط خاص به حالت اولیه بازگردند. چنین ویژگیهایی باعث شده چاپ چهاربعدی در حوزههایی مانند رباتیک نرم، پزشکی، هوافضا و طراحی صنعتی مورد توجه گسترده قرار گیرد.
ابوالفضل فورگینژاد، استادیار گروه مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی بیرجند، به همراه دو تن از همکاران همدانشگاهی خود و با همکاری دانشگاه اردکان، پژوهشی را درباره نقش چاپ چهاربعدی در تحول ساخت رباتهای نرم انجام دادهاند. این تیم پژوهشی با تمرکز بر کاربرد مواد هوشمند در فرآیند چاپ و بررسی روشهای نوین ساخت، تلاش کردهاند تصویری جامع از ظرفیتهای این فناوری در توسعه رباتهایی ارائه دهند که بتوانند مانند موجودات زنده، انعطافپذیر و سازگار باشند.
این پژوهش به صورت مطالعه مروری انجام شده است. در این روش، محققان با بررسی و تحلیل نتایج تحقیقات پیشین، انواع مواد هوشمند، شیوههای مختلف چاپ و کاربردهای گوناگون چاپ چهاربعدی را ارزیابی کردهاند. همچنین ویژگیهای مواد حافظهدار و تأثیر عوامل مختلف فرآیند چاپ بر عملکرد رباتهای نرم مورد بررسی قرار گرفته است. در این مطالعه، روشهای پیشرفتهای مانند مدلسازی رسوب ذوبی و چاپ جوهرافشان که امکان ساخت ساختارهای پیچیدهتر را فراهم میکنند نیز تحلیل شدهاند.
نتایج این بررسی که در «مجله مهندسی مکانیک» وابسته به انجمن مهندسان مکانیک ایران منتشر شدهاند، نشان میدهند که چاپ چهاربعدی امکانات تازهای برای طراحی و ساخت رباتهای نرم فراهم کرده است. این رباتها که اغلب از سیستمهای زیستی الهام گرفتهاند، با استفاده از مواد نرم و محرکهای متنوع میتوانند حرکات پیچیده و هماهنگ با محیط انجام دهند. در مقایسه با روشهای سنتی ساخت، این فناوری از نظر زمان تولید، دقت ساخت و توانایی سازگاری عملکردی برتری قابل توجهی دارد، بهویژه در کاربردهایی که نیازمند انعطافپذیری بالا هستند.
بر اساس جمعبندی پژوهشگران، افزودن بعد زمان به فرآیند چاپ باعث شده اشیای تولیدشده بتوانند در واکنش به محرکهای خارجی تغییر شکل دهند. استفاده از پلیمرهای حافظهدار و هیدروژلها در ساخت رباتهای نرم، امکان ایجاد حرکت و تغییر شکل پویا را فراهم کرده است. این ویژگیها علاوه بر کاهش هزینههای تولید و نگهداری، آزادی عمل بیشتری در طراحی ایجاد میکند و محصولات را با شرایط محیطی مختلف سازگارتر میسازد.
از دیگر نکات مهم مطرحشده در این پژوهش، نقش کلیدی نرمافزارهای شبیهسازی در توسعه چاپ چهاربعدی است. این نرمافزارها به پژوهشگران کمک میکنند تا پیش از ساخت فیزیکی، رفتار رباتهای نرم را طراحی، تحلیل و بهینهسازی کنند. ابزارهایی مانند متلب برای شبیهسازی دینامیکی، و نرمافزارهایی مانند آباکوس و انسیس برای تحلیل عملکرد مکانیکی محرکهای نرم به کار میروند. همچنین در طراحی رباتهای ترکیبی که اجزای نرم و سخت را با هم دارند، شبیهسازی به بهبود عملکرد در کارهایی مانند گرفتن اجسام یا توانبخشی کمک میکند.
محققان در انتها اشاره کردهاند بهینهسازی توپولوژی، که روشی برای یافتن بهترین شکل و ساختار یک قطعه است، نیز در این حوزه کاربرد دارد و امکان تولید ساختارهای کارآمدتر را فراهم میکند. با این حال، آنها معتقدند که هنوز چالشهایی در مدلسازی دقیق تعامل پیچیده میان مواد هوشمند و محرکهای محیطی وجود دارد و این موضوع میتواند بر عملکرد واقعی رباتها تأثیر بگذارد.
