Inverse Designing Reconfigurable Piezoelectric Tensors via Architectural and Modal Programming

تعد الكهرضغطية (Piezoelectricity) خاصية توجد في مواد معينة تسمح لها بتحويل الكهرباء إلى حركة، أو الحركة إلى كهرباء. فعندما تضغط على هذه المواد، فإنها تولد شحنة كهربائية؛ وعندما تسلط عليها شحنة كهربائية، فإنها يتغير شكلها فيزيائياً. هذه العلاقة ثنائية الاتجاه هي المحرك وراء العديد من التقنيات الحديثة، بدءاً من المحركات الدقيقة التي تركز عدسات الكاميرا وصولاً إلى المستشعرات التي ترصد الزلازل والأجهزة التي تحصد الطاقة من الاهتزازات. ولعقود من الزمن، اعتمد المهندسون على البلورات الطبيعية لتوفير هذا التأثير، غير أن هذه البلورات تأتي مع قيود صارمة؛ إذ تفرض بنيتها الذرية الداخلية بدقة كيفية حركتها وفي أي اتجاهات، مما يعني أن قطعة واحدة من المادة لا يمكنها إلا أداء مجموعة محددة وثابتة من الأفعال. وإذا احتاج جهاز ما إلى التحرك بطريقة معقدة، يتعين على المهندسين بناؤه باستخدام عدة قطع مختلفة من المواد ووصلات ميكانيكية، مما ينتج عنه آلات ضخمة ومعقدة.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، والمعهد الإيطالي للذكاء الاصطناعي طريقة للتحرر من هذه القيود الطبيعية. فبدلاً من محاولة العثور على بلورة جديدة ذات خصائص مثالية، قاموا بتصميم نوع جديد من المواد من الصفر. ومن خلال ترتيب سيراميك كهرضغطِي قياسي في بنية شبكية ثلاثية الأبعاد محددة، ابتكروا مادة يمكن برمجتها للتحرك في أي اتجاه تقريباً. وقد أثبتوا أنه من خلال تغيير شكل البنية الداخلية، يمكنهم التحكم بدقة في كيفية استجابة المادة للكهرباء. والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أنهم وجدوا أن مجرد تغيير سرعة تطبيق الإشارة الكهربائية يمكن أن يغير سلوك المادة، مما يجعلها تعمل كآلة من نوع مختلف دون تغيير شكلها الفيزيائي. يسمح هذا النهج لكتلة واحدة مدمجة بأداء مهام معقدة كانت تتطلب سابقاً تجميعاً كبيراً من الأجزاء المنفصلة.

بدأ الباحثون بالتعامل مع المادة ليس ككتلة صلبة، بل كشبكة من الاتصالات. لقد مثلوا البنية ثلاثية الأبعاد كرسم بياني (Graph)، حيث تمثل نقاط التقاء المادة نقاطاً، وتمثل العوارض المتصلة خطوطاً. سمحت هذه الرؤية الرياضية لهم برؤية كيف تساهم الحركة المحلية لكل عارضة صغيرة في الحركة الإجمالية للجسم بأكمله. وفي البلورات الطبيعية، تكون الذرات مقفلة في نمط صلب يحد من مرونتها، أما في هذه الهياكل الجديدة، فقد استطاع الباحثون ترتيب العوارض بآلاف الطرق المختلفة. واكتشفوا أنه من خلال تصميم الهندسة بعناية، يمكنهم جعل المادة تتمدد، أو تنثني، أو تلتوي، أو تنزاح في اتجاهات محددة. كما أظهروا أنه من الممكن تفعيل جميع الطرق الثمانية عشر الممكنة لاستجابة المادة للمجال الكهربائي، وهو نطاق من الحركة لا تستطيع أي بلورة طبيعية منفردة تحقيقه.

ولإيجاد الشكل المثالي لحركة مرغوبة، استخدم الفريق برنامج حاسوب مدرباً على فهم العلاقة بين شكل البنية وسلوكها الفيزيائي. لقد قاموا بمحاكاة مئات الآلاف من التصاميم المختلفة، لتعليم نموذج حاسوبي التنبؤ بكيفية تحرك ترتيب معين من العوارض. وبمجرد أن تعلم النموذج هذا الارتباط، أصبح بإمكانهم العمل بشكل عكسي؛ حيث يمكنهم إخبار الحاسوب: "نحن بحاجة إلى مادة تتحرك جانبياً عند تطبيق الكهرباء"، وسيقوم النظام بتصميم بنية فريدة للقيام بذلك بالضبط. سمحت هذه العملية، المعروفة باسم "التصميم العكسي" (Inverse Design)، بإنشاء مواد ذات خصائص قصوى، مثل نسخة تتمدد بمقدار ثلاثة أضعاف التصاميم القياسية، أو نسخة أخرى تلتوي دون أن تتمدد. وقد تحققوا من هذه التصاميم باستخدام عمليات محاكاة حاسوبية دقيقة تعاملت مع كل عارضة كقضيب صغير مرن قادر على الانثناء والتمدد.

كما كشف الفريق أيضاً عن طريقة ديناميكية للتحكم في المادة تتجاوز مجرد تغيير شكلها. فقد وجدوا أن استجابة المادة تعتمد بشكل كبير على تردد الإشارة الكهربائية المطبقة عليها. فعندما طبقوا إشارة كهربائية بطيئة، تحركت المادة بطريقة معينة، ولكن عندما زادوا سرعة الإشارة لتتطابق مع الاهتزاز الطبيعي للهيكل، تغيرت الحركة تماماً. ففي تردد معين، قد تتمدد المادة وتتقلص رأسياً، وفي تردد آخر، يمكن لنفس المدخلات أن تسبب التواءً أو انزياحاً جانبياً. وهذا يعني أن قطعة واحدة من المادة يمكن أن تعمل كأدوات مختلفة اعتماداً على سرعة تشغيلها. وأوضح الباحثون أن هذا يحدث لأن الترددات المختلفة تحفز أنماط اهتزاز داخلية مختلفة داخل الشبكة، مما يؤدي إلى تحريك العوارض في تركيبات جديدة تعمل على تضخيم أنواع معينة من الحركة وإلغاء أنواع أخرى.

ولإثبات أن هذه الأفكار تعمل في العالم الحقيقي، قام الباحثون ببناء جهاز فيزيائي باستخدام سيراميك كهرضغطِي شائع يسمى (PZT). وقد استخدموا تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة لإنشاء هيكل شبكي معقد وصغير بحجم ظفر الإصبع. وبعد الطباعة، قاموا بتسخين المادة لإزالة المواد الرابطة ثم معالجتها حرارياً (Sintering) لدمج جزيئات السيراميك معاً. وأخيراً، طبقوا مجالاً كهربائياً قوياً لمحاذاة الخصائص الداخلية للسيراميك، وهي عملية تسمى "الاستقطاب" (Poling)، والتي تجعل المادة نشطة. واختبروا الجسم المطبوع عن طريق تطبيق جهد كهربائي وقياس كيفية تحركه، وجاءت النتائج مطابقة لتوقعاتهم: فقد استطاع الجهاز التحرك رأسياً وجانبياً، ومن خلال التحكم في الجهد المطبق على أجزاء مختلفة من المصفوفة، تمكنوا من توليد حركات معقدة مثل الميل والالتواء.

إن التأثير العملي لهذا العمل هو تقليل هائل في الحجم والتعقيد للآلات الدقيقة. فقد بنى الباحثون نموذجاً أولياً لنظام تحديد مواقع يمكنه تحريك ليف بصري في أربعة اتجاهات مختلفة، وهي مهمة أساسية لضبط المكونات في الأجهزة الضوئية المتقدمة. إن نظاماً تقليدياً مصمماً للقيام بنفس المهمة يتطلب محركات متعددة منفصلة ومجموعة معقدة من الوصلات الميكانيكية لإعادة توجيه الحركة، مما ينتج عنه جهاز يبلغ عرضه وعمقه حوالي أربعين ملمترًا. أما تصميمهم الجديد، الذي يستخدم البنية الشبكية القابلة للبرمجة، فقد حقق نفس درجات الحرية الأربعة في كتلة تبلغ أبعادها عشرة في عشرة في خمسة ملمترات فقط. ويمثل هذا انخفاضاً في الحجم بنسبة تسعين بالمائة. ومن خلال ترميز الحركة مباشرة في بنية المادة، فقد ألغوا الحاجة إلى الأجزاء الميكانيكية الضخمة التي تعيد توجيه الحركة عادةً.

يشير هذا العمل إلى مسار جديد للهندسة حيث تكون المادة نفسها هي الآلة. فبدلاً من تجميع أجزاء صغيرة متعددة لإنشاء وظيفة معقدة، يمكن للمهندسين الآن تصميم كتلة واحدة من المادة تؤدي المهمة بأكملها. إن القدرة على التبديل بين أنماط حركة مختلفة بمجرد تغيير الإشارة الكهربائية تفتح الباب أمام أجهزة يمكنها تكييف وظيفتها فورياً. وسواء كان ذلك لتحديد مواقع الأدوات الدقيقة، أو استشعار الاهتزازات في اتجاهات متعددة، أو إنشاء روبوتات مدمجة، فإن هذا النهج يوفر طريقة لجعل الآلات أصغر، وأبسط، وأكثر تنوعاً. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال التفكير في المواد كشبكات قابلة للبرمجة وليس كأجسام ثابتة، فمن الممكن إطلاق قدرات لم توفرها الطبيعة قط، وتحويل قطعة واحدة من السيراميك إلى أداة قابلة لإعادة التشكيل لمستقبل تكنولوجيا الدقة.