Design principles for energy dissipation in viscoelastic network metamaterials

تخيل عالماً لا تكون فيه المواد من حولنا مجرد كتل صلبة من الأشياء، بل هياكل معقدة تشبه الشبكة، مكونة من قضبان ومفاصل صغيرة، تماماً مثل شبكة عنكبوت ثلاثية الأبعاد ضخمة أو سقالات معقدة. يطلق العلماء على هذه المواد اسم "المواد الميتا-مادية" (metamaterials). وخلافاً للمواد العادية، التي تستمد خصائصها مما صُنعت منه (مثل الفولاذ الذي يتميز بالقوة لأنه مصنوع من الحديد)، تكتسب المواد الميتا-مادية "قواها الخارقة" من كيفية بنائها. فكر في الأمر كآلة موسيقية: وتر الجيتار ووتر الكمان قد يكونان مصنوعين من نفس المعدن، لكن شكل الآلة هو ما يغير الصوت. وفي العالم الحقيقي، نريد لهذه المواد أن تفعل أكثر من مجرد حمل الأشياء؛ نريدها أن تكون بارعة في "تبديد الطاقة". وهذه طريقة منمقة للقول بأنها جيدة جداً في امتصاص الاهتزازات والصدمات، وتحويل طاقة الزلازل أو حوادث السيارات المتذبذبة إلى حرارة غير ضارة، بدلاً من تركها ترتد وتكسر الأشياء.

لفترة طويلة، حاول المهندسون صنع ممتصات صدمات أفضل باستخدام الرغوات الإسفنجية أو الخلطات الفوضوية من مواد مختلفة. لكن هذه المواد يصعب ضبطها بدقة. تبرز فكرة جديدة تتمثل في بناء هذه الممتصات كشبكات مثالية مصممة حاسوبياً. ومع ذلك، فإن تحديد الطريقة المثلى لترتيب القضبان في هذه الشبكات الضخمة والفوضوية يعد كابوساً للحواسيب. الأمر يشبه محاولة إيجاد المسار المثالي عبر متاهة يتغير شكلها باستمرار، ولكن المتاهة ضخمة جداً لدرجة أن فحص كل منعطف فيها سيستغرق وقتاً أطول من عمر الكون. وهنا يأتي دور دراسة جديدة، تقدم اختصاراً ذكياً لحل هذا اللغز وتكشف عن قواعد مدهشة حول كيفية بناء الآلة المثالية لامتصاص الاهتزازات.

رحلة البحث عن الاهتزاز العظيم: كيف تبني ممتص صدمات أفضل

تعرف على الباحثين، وهم فريق من العلماء الذين هم في الأساس مهندسون معماريون رقميون. أرادوا الإجابة على سؤال كبير: إذا كان لديك كمية محددة من المادة لبناء شبكة ضخمة وفوضوية من القضبان، فكيف يجب أن ترتب سماكة تلك القضبان لجعل الشبكة تلتهم أكبر قدر ممكن من الطاقة؟ تخيل أن لديك دلواً من الطين. يمكنك جعل كل قضيب في شبكتك بنفس السماكة، أو يمكنك جعل بعضها سميكاً جداً والبعض الآخر رقيقاً كالورق. أي طريق سيصنع أفضل ممتص للصدمات؟

لمعرفة ذلك، لم يستطيعوا بناء ملايين الشبكات المادية وهزها. بدلاً من ذلك، ابتكروا خدعة حاسوبية فائقة السرعة. عادةً، لمحاكاة كيفية اهتزاز قضيب ما، يتعين على الحواسيب تقطيعه إلى آلاف القطع الصغيرة جداً. لكن هذا الفريق أدرك أنه يمكنهم معاملة كل قضيب كموجة كاملة ومستمرة، مثل وتر الجيتار، والنظر فقط إلى "المفاصل" حيث تتصل القضبان ببعضها. هذا حوّل مسألة رياضية ضخمة ومستحيلة إلى مسألة يمكن التعامل معها، مما سمح لهم باختبار آلاف التصاميم المختلفة في لمح البصر.

خطأ "العشوائية"
أولاً، سألوا: ماذا يحدث إذا رمينا السهام عشوائياً على اللوحة؟ قاموا بتعيين سماكات مختلفة للقضبان في شبكاتهم الافتراضية بشكل عشوائي. كانت النتيجة مخيبة للآمال نوعاً ما. ففي معظم الأحيان، جعلت الفوضى العشوائية من القضبان السميكة والرقيقة ممتص الصدمات أسوأ مما لو كانوا قد جعلوا كل شيء بنفس السماكة فقط. اتضح أن الطبيعة (أو على الأقل الهندسة الجيدة) لا تحب الفوضى عندما يتعلق الأمر بإيقاف الاهتزازات. إذا كنت تخمن فقط، فمن المرجح أن ينتهي بك الأمر بهيكل يسمح للطاقة بالتسلل عبره مباشرة.

الوصفة السرية: تصميم "التدرج"
ولكن بعد ذلك، استخدم الفريق خوارزمية حاسوبية ذكية للعثور على التصميم المثالي. لم يكتفوا بالتخمين؛ بل تركوا الحاسوب "يتعلم" أي السماكات تعمل بشكل أفضل. وكانت النتيجة نمطاً جميلاً وغير عشوائي. بدا التصميم الأمثل كأنه "تدرج": القضبان الموجودة بجوار النقطة التي بدأ منها الاهتزاز ("المصدر") كانت سميكة وثقيلة، وكلما ابتعدت عن هذا المصدر، أصبحت القضبان أنحف فأنتحف.

لماذا ينجح هذا؟ اكتشف الباحثون أن المادة نفسها تمتلك "ذاكرة" داخلية لكيفية انتقال الاهتزاز قبل أن يتلاشى. ويسمون ذلك طول التوهين (attenuation length). إنه يشبه موجة صوت في غرفة ضبابية؛ الصوت يكون عالياً بجانب المتحدث ولكنه يصبح أخف وأخف كلما انتقل عبر الضباب. لقد أدرك الحاسوب أن أفضل طريقة للإمساك بالطاقة هي وضع كل "الطين" (المادة) في المكان الذي يكون فيه الاهتزاز في أقوى حالاته وأكثرها ضجيجاً. إذا وضعت قضباناً سميكة بعيداً عن المصدر، فستكون مجرد واقفة هناك دون فعل أي شيء لأن الاهتزاز قد تلاشى بالفعل بحلول الوقت الذي تصل فيه إليها.

تشبيه "الضباب"
فكر في الاهتزاز كموجة مياه تندفع نحو إسفنجة جافة. إذا كانت الإسفنجة شديدة الامتصاص (تشتت عالٍ)، فإن الماء يمتصه الإسفنج فوراً ولا ينتقل بعيداً. في هذه الحالة، أفضل تصميم هو جعل الجزء الموجود عند الحافة مباشرة سميكاً وكثيفاً للغاية، بحيث يلتقط كل الماء فوراً. أما إذا كانت الإسفنجة أقل امتصاصاً، فإن الماء سينتقل لمسافة أبعد، لذا تحتاج إلى توزيع السماكة بشكل أكبر. وجد الحاسوب أن "شكل" ممتص الصدمات المثالي محكوم تماماً بمدى سرعة توقف المادة للاهتزاز بشكل طبيعي.

قواعد مفاجئة
وجدت الدراسة أيضاً بعض الخصائص المثيرة للاهتمام. إذا كانت المادة توقف الاهتزازات بسرعة كبيرة (طول توهين قصير)، يصبح التصميم المثالي مستقلاً تماماً عما يحدث عند الحواف البعيدة للشبكة. الأمر يشبه إذا صرخت في غرفة صغيرة معزولة الصوت؛ لا يهم إذا كانت الجدران مصنوعة من الخشب أو الخرسانة لأن الصوت سيموت قبل أن يصل إليها حتى. التصميم يهتم فقط بالحي المباشر للمصدر.

ومع ذلك، إذا كانت الاهتزازات تنتقل لمسافة طويلة، فيجب أن يكون التصميم حذراً جداً بشأن كيفية تثبيت الحواف. كما لاحظ الباحثون أن هذه التصاميم "المثالية" تشبه إلى حد ما العروق المتفرعة في ورقة الشجر أو الأوعية الدموية في جسمك، ولكن مع اختلاف واحد: بينما تحاول الطبيعة غالباً تقليل فقدان الطاقة لنقل السوائل بكفاءة، فإن ممتصات الصدمات هذه مصممة لـ زيادة فقدان الطاقة لإيقاف الحركة.

ماذا يعني هذا
هذه الورقة البحثية لا تقول فقط "إليك تصميماً رائعاً". بل توفر طريقة جديدة وسريعة لحساب هذه التصاميم للشبكات الضخمة والفوضوية التي كان من الصعب حلها سابقاً. وهي تشير إلى أنه لبناء أفضل المواد الممتصة للاهتمام، لا ينبغي لنا استخدام كتل موحدة أو خلطات عشوائية. بدلاً من ذلك، يجب أن ننظر إلى مدى المسافة التي تمتص فيها المادة الطاقة بشكل طبيعي ونبني هيكلاً "متدرجاً" يصبح أكثر سمكاً في مكان بدء الاهتزاز ويصبح أنحف كلما ابتعدنا عنه. إنه يشبه بناء حصن تكون جدرانه الأكثر سمكاً في المكان الذي يهاجم فيه العدو، وأكثر نحافة حيث لا يمكنهم الوصول إليه، مما يضمن أن كل جزء من المادة يعمل بأقصى جهده لإيقاف الهزة.