٤ أغسطس ٢٠١٧
كتبه ميخائيل مون، طالب الدكتوراه في مكانيكا الجوامد في جامعة براون
ترجمه ابوطه / عدنان احمد الحاجي
Learning new tricks from sea sponges, nature’s most unlikely civil engineers
ألياف الأسفنج الزجاجية قوية ومرنة
تخيل مستقبلاً فيه الأبراج ( المباني) ممتدة اميالاً على امتداد الشوارع أدناه، والسياح يأخذون رحلات يومية إلى اطراف الغلاف الجوي، العليا، ومحطات فضائية متعددة يمكن رصدها منساقةً مع التيار عبر السماء ليلاً. لجعل رؤية الخيال العلمي هذه حقيقة واقعة، نحن بحاجة إلى إنشاء أنواع جديدة من الهياكل خفيفة الوزن ولكن قوية وقاسية.
مقطع من ساق نبات الذرة يكشف عن تصميمه الميكانيكي.
والمقاربة التقليدية في عملية التصميم هذه تنطوي على صنع مواد جديدة، مثل السبائك الفائقة - وهي معادن قوية بشكل استثنائي ومقاومة لدرجات الحرارة القصوى. وقد مكنتنا هذه المواد المتقدمة من الطيران أسرع من الصوت وإرسال روفرات rovers ( عجلات ) إلى المريخ.ومع ذلك، لا يمكننا ببساطة "اختراع" عناصر كيميائية جديدة، وليس هناك سوى عدد محدود من الطرق لخلط ومطابقة تلك مع التي بأيدينا بالفعل. لذلك نحن بحاجة إلى تعلم طرق جديدة لترتيب المواد المتاحة حاليا بحيث تكون الهياكل الناتجة أقوى وأكثر قساوة من المواد نفسها.
والحمد لله، فقد تصارعت الطبيعة مع هذه المشكلة نفسها لمئات الملايين من السنين. وعلى عكس المهندسين، الطبيعة لم تأتي بترتيبات جديدة أو "تصاميم ميكانيكية"، باستخدام المعادلات وخوارزميات الكمبيوتر. وبدلا من ذلك، أنتجت الطبيعة العديد من التصاميم المختلفة من خلال آليات تطورية، كطفرة جينية. ثم، ومن خلال الانتقاء الطبيعي، فإن الكائنات الحية الدقيقة التي لها تصاميم أفضل غالباً ما تتفوق في العمر على اكثر الكائنات الدقيقة الأخرى التي لها تصاميم ضعيفة، وتورث خرائط هذه التصاميم لذريتتها من خلال الجينات الوراثية.
عملية النشوء هذه يمكن أن تنتج تصاميم ميكانيكية فعالة للغاية والتي غالباً لا تبدو انها تشابه تلك المستخدمة في عالم التصاميم البشرية. على سبيل المثال، أنا أدرس الإسفنج الذي يعيش في قاع المحيط لأتعلم طرقاً جديدة لصنع أعمدة أقوى - الهياكل التي تحمل كل شيء من منازلنا إلى إطارات سياراتنا والجسور التي تمر عليها سيارتنا.
عملية النشوء هذه يمكن أن تنتج تصاميم ميكانيكية فعالة للغاية والتي غالباً لا تبدو انها تشابه تلك المستخدمة في عالم التصاميم البشرية. على سبيل المثال، أنا أدرس الإسفنج الذي يعيش في قاع المحيط لأتعلم طرقاً جديدة لصنع أعمدة أقوى - الهياكل التي تحمل كل شيء من منازلنا إلى إطارات سياراتنا والجسور التي تمر عليها سيارتنا.
العلم الذي وراء الهندسة المستوحاة من البايلوجيا
أصبحت الهندسة المستوحاة من البايلوجيا موضوعاً ساخناً في عالم العلوم. والهدف هو أولاً أن نفهم كيف تعزز تصاميم الهياكل الميكانيكية البيولوجية من أدائها، ومن ثم نقوم بتطبيق المبادئ الفيزيائية التي وراء هذا التصميم لاستحداث هياكل جديدة من صنع الإنسان.
على سبيل المثال، تتكون الأصداف القاسية للمحار والبطلينوس من الأراغونيت، وهو معدن قابل للكسر وهو العنصر الرئيسي في الحجر الجيري. اصداف البطلينوس قاسية لأن هذا المعدن ليس معبأً معاً بشكل عشوائي، بل مرتب في نمط يشبه طوب الجدار المجهري. واجهات الطوب البينية interface في هذا الجدار تمنع الشقوق من النمو في مسار مستقيم عبر الصدفة.
ببساطة نسخ ولصق هذا التصميم لإنشاء هيكل جديد من صنع الإنسان لن يعطينا بالضرورة بنية بنفس الصلابة كما هي موجودة في الأصداف . ولكن ، الهندسة المستوحاة من البايلوجيا هي عملية متعددة الخطوات.
أولا، قمنا بالتعرف على وظيفة البنية الطبيعية. على سبيل المثال، الأصداف تحمي البطلينوس من الحيوانات المفترسة. بعد ذلك، قمنا بتحديد بشكل كمي كيف يؤثر تصميم هذا الهيكل على أدائه لهذه الوظيفة - في هذه الحالة، مدى قوة وقساوة اصداف البطلينوس مقارنة بالأراغونيت نفسه. وأخيرا، نريد أن نوضح العلاقة بين التصميم والأداء. بالنسبة لصدفة البطلينوس، وهذا يعني استخلاص معادلة تربط بين المحددات مثل نسبة ارتفاع الطوب المجهري فيها الى صلابة الصدفة .
ما الذي يجعل الإسفنج قوياً جدا؟
على عكس إسفنجة المطبخ الناعمة، الاسفنج البحري الذي اقوم انا بدراسته، أسبرجيلوم سبيكولز( Euplectella aspergillum) رشاشات يوبلكتيلا ، قاسية وقوية. لها هيكل معقد بشكل مثير للدهشة يتكون من مجموعة معقدة من الألياف، والمعروفة باسم الشويكات ، ليست بأطول من شعر الإنسان. وظيفتها الهيكلية تشبه إلى حد كبير الآلاف من الأعمدة التي تشكل برج ايفل.
الشويكات الإسفنجية غير عادية لأنها مصنوعة بالكامل تقريبا من الزجاج! في حين أننا نفكر عادة في الزجاج باعتباره مادة ضعيفة وقابل للكسر ، فإن هذه الشويكات قوية بشكل لا يصدق ومرنة. هذا التباين هو ما دفعني في الأصل للبحث فيما يجعل الشويكات قوية جداً - وكيف يمكنها أن تعلمنا صنع أعمدة أقوى.
الطبقات تؤدي إلى القوة
بحثي يركز على مجموعة خاصة من الشويكات تعمل كجذور لإرساء الاسفنج في الارضية ( رواسب) الناعمة لقاع المحيط. هذا الرسو المستقر على قاع المحيط يسمح للاسفنج بضخ المياه خلال جسمه وتصفية الكائنات الحية الدقيقة لتتغذى عليها.
مثل صدفة البطلينوس، شويكات الرسو لها أيضا تصميم ميكانيكي مجهري. لو فتحت واحدة منها، ستجد أن الشويكات الزجاجية مرتبة في طبقات متحدة في المركز تبدو كثيراً كحلقات شجرة. من الممكن أن هذا التصميم الميكانيكي يسمح لشويكة الرسو بالإنحناء أكثر قبل ان تنكسر، وبالتالي يجعل تشبث الإسفنج أكثر قوة.
لقد اكتشفت هذه الفكرة عن طريق قياس مدى قابلية شويكة الرسو للإنحناء قبل ان تنكسر، ومقارنتها بشويكة من إسفنج آخر له نفس التركيب الكيميائي ولكن ليس لديه أي طبقات. نتائج هذه التجربة تبين أن شويكات إسفنج ال أسبرجيلوم سبيكولز يمكن أن تنحني تقريبا 2.4 مرة أكثر من الشويكة التي ليس لها طبقات.
فك اسرار الهياكل القوية
الخطوة التالية في بحثي هي فهم لماذا ببساطة يكون ترتيب الزجاج في طبقات متحدة في المركز له مثل هذا التأثير الكبير على قوة الانحناء . الخطة هي استخلاص المعادلات التي يمكن التنبؤ بقوة عمود بعدد معين من الطبقات المتحدة في المركز وسمك الطبقة - الخطوة الثالثة من عملية الهندسة المستوحاة من البايلوجيا. لو كانت معادلاتي صحيحة، يجب أن تكون قادرة على التنبؤ بدقة بمستوى تعزيز القوة التي قمت بقياسها.
يوتيوب
قبل بضع سنوات كنت عضواً في الفريق الذي وضع نموذجاً نظرياً لعمل هذا النوع من التنبؤ. ومع ذلك، فإن المعادلات الرياضية المكونة لهذا النموذج تتنبأ بأن الطبقات يجب أن تزيد من قوة إنحناء الشويكة بنسبة ٣٣ في المئة كحد أقصى - وهذا بعيد كل البعد عن الزيادة التي مقدارها ١٤٠ في المئة التي قمت بقياسها مؤخرا في شويكة حقيقية. هذا الاختلاف يشير إلى أن هناك شيئاً مفقوداً في نموذجنا، وأننا بحاجة إلى العودة وإعادة النظر في هذه المعادلات.
يوتيوب
وبمجرد أن يكون لدينا نموذج دقيق، يمكننا استخدام المعادلات لتصميم أعمدة تشبه طبقات الشويكات التي هي أقوى بكثير من أحدث الهياكل التي توصل اليها العلم . ويمكن استخدام هذه الأعمدة ذات الطبقات في نهاية المطاف لصنع صواريخ وطائرات وسفن فضاء أخف بكثير وبالتالي أكثر كفاءة، من تلك التي نستخدمها اليوم. وبطريقة ما، فك أسرار التصاميم من قاع المحيط يمكن أن يساعدنا في نهاية المطاف على استكشاف عوالم جديدة.
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق