Robotic additive repair of damaged rammed-earth walls using printable earthen materials: a proof-of-concept experimental study

على مر قرون، بُنيت جدران المنازل والحظائر والحصون في أجزاء كثيرة من العالم من الأرض، حرفياً ومن الأسفل إلى الأعلى. يأخذ البناؤون التربة المحلية، ويمزجونها بالماء، ثم يضغطونها بإحكام داخل قوالب خشبية، طبقة تلو أخرى، حتى تتصلب وتصبح هيكلاً صلبًا ومتينًا يُعرف باسم "التربة المدكوكة" (rammed earth). تخلق هذه التقنية القديمة مبانٍ تتنفس مع المناخ، وتخزن الحرارة، وتترك بصمة ضئيلة على الكوكب. ومع ذلك، وكأي شيء مصنوع من الأرض، فإن هذه الجدران تكون عرضة للتلف. فمع مرور الوقت، يمكن للأمطار والرياح ومرور السنين ببساطة أن تؤدي إلى تآكل أسطحها، أو تفتت زواياها، أو تترك فيها شقوقاً وفجوات عميقة. إن إصلاح هذه الجدران مهمة دقيقة؛ فإذا قمت بترميمها بنوع خاطئ من الإسمنت الحديث أو الخرسانة، فقد تحبس الرطوبة في الداخل أو تخلق قشرة صلبة تؤدي إلى تشقق الأرض اللينة تحتها. الهدف من الإصلاح الجيد هو ملء الضرر دون المساس ببقية الجدار، باستخدام مواد تشبه الأرض الأصلية في ملمسها وطريقة عملها.

الآن، تخيل أنك تحاول ملء حفرة متعرجة في جدار بدقة متناهية، باستخدام آلة يمكنها التحرك ببراعة يد الإنسان ولكنها لا تتعب أبداً. هذا هو التحدي الذي سعى الباحثون لحله. أرادوا معرفة ما إذا كان يمكن تعليم روبوت إصلاح هذه الجدران التاريخية القائمة على التربة، ليس فقط عن طريق لصق رقعة فوقها، بل عبر إعادة بناء الأجزاء المفقودة طبقة تلو أخرى، باستخدام خليط خاص يحاكي التربة الأصلية. لم يكن السؤال مجرد ما إذا كان الروبوت يستطيع الحركة، بل ما إذا كانت المادة الجديدة ستلتصق، وتحافظ على شكلها، وتساعد الجدار فعلياً على الصمود مرة أخرى، أم أنها ستكون مجرد قشرة هشة.

قرر فريق من الباحثين من جامعات وأقسام هندسية في إسبانيا والصين وأستراليا اختبار هذه الفكرة في بيئة مختبرية محكومة. قاموا ببناء جدار كبير باستخدام طرق التربة المدكوكة التقليدية، ثم تعمدوا إتلاف الجزء العلوي منه لمحاكاة سنوات من التآكل. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان بإمكان روبوت متنقل، مزود بذراع ميكانيكية ذات ستة أذرع وفوهة، أن يتنقل في المساحة أمام الجدار ويضع مادة ترابية جديدة قابلة للطباعة لسد الفجوة. هذه المادة، التي يسمونها "خليط إصلاح ترابي قابل للطباعة"، صُممت بدون إسمنت. وبدلاً من ذلك، استخدمت مزيجاً من التربة المحلية والرمل والروابط الطبيعية مثل الألياف النباتية والنشويات لضمان تصرفها بشكل مشابه للجدار القديم الذي تهدف لإصلاحه.

تمت برمجة الروبوت لاتباع مسار محدد، حيث يتحرك ذهاباً وإياباً لوضع المادة الجديدة في طبقات أفقية رقيقة. وقد نجحت العملية؛ حيث تمكنت الآلة من وضع حوالي 200 كيلوغرام من الخليط، وبناء الجزء المتضرر حتى طابق شكل الجدار الأصلي. تدفقت المادة بسلاسة من الفوهة، وحافظت على شكلها أثناء وضعها، وارتبطت بالأرض القديمة تحتها. لم تحدث أي انهيارات، وظل القسم الجديد صامداً. أثبت هذا الجزء من التجربة أن الروبوت يمكنه مادياً القيام بمهمة إصلاح جدار بهذا الحجم، وإنشاء منطقة إصلاح مستمرة ومستقرة لا يمكن للعامل البشري تكرارها بهذه الاستمرارية بسهولة.

لكن بناء الجدار كان الخطوة الأولى فقط. احتاج الباحثون لمعرفة ما إذا كان الجدار الذي تم إصلاحه روبوتياً يمكنه تحمل الوزن. أخذوا نسخاً أصغر من الجدران المرممة وضغطوها في آلة اختبار حتى فشلت، مقارنين إياها بجدار جديد تماماً لم يمسه شيء ومصنوع من نفس التربة. لم يتحمل الجدار المرمم نفس وزن الجدار الجديد، حيث وصل إلى ذروة حمل قدرها 22.74 كيلونيوتن، وهو ما يعادل حوالي 56 بالمائة من قوة الجدار الجديد. كانت هذه النتيجة متوقعة، بما أن الجدار المرمم يحتوي على خليط من التربة القدة المدكوكة والمواد الجديدة المبطقة، ولم يتوقع الباحثون أن يكون بقوة كتلة جديدة كلياً. ومع ذلك، لم ينهار الجدار ببساطة؛ بل صمد وحمل حملاً كبيراً، مما أثبت أن الإصلاح لم يكن تجميلياً فحسب، بل كان إنشائياً أيضاً.

ما حدث داخل الجدار أثناء ضغطه قدم رؤية مفاجئة. وضع الباحثون مستشعرات دقيقة على كل من الجزء السفلي القديم من الجدار والجزء العلوي الجديد الذي بناه الروبوت. ومع زيادة الوزن، أظهرت المستشعرات أن الطبقة الجديدة المطبوعة تمددت وتشوهت أكثر بكert من الطبقة القديمة تحتها. وبالقرب من نقطة الضغط القصوى، امتصت المادة الجديدة إجهاداً يعادل خمسة أضعاف الإجهاد الذي تعرضت له الأرض الأصلية. يشير هذا إلى أن الطبقة المطبوعة روبوتياً عملت كـ "وسادة واقية"؛ فبدلاً من أن يؤدي الضغط إلى تشقق الجدار التاريخي الأصلي، استقبلت المادة الجديدة الصدمة، حيث تمددت وانحنت لامتصاص الطاقة. وعندما أظهر الجدار علامات الضرر، ظهرت الشقوق في الجزء العلوي الجديد القابل للاستبدال، بينما ظل الجزء السفلي من الأرض الأصلية سليماً إلى حد كبير.

كما صمدت الواجهة بين المواد القديمة والجديدة بشكل جيد. وضع الباحثون شبكة من التعزيز في منطقة الانتقال للمساعدة في التصاق الجزئين ببعضهما. وبعد الاختبار، فحصوا الاتصال ووجدوا أن المادتين ظلتا مترابطتين، دون وجود انفصال واسع النطاق. تركز الضرر في المنطقة العلوية المطبوعة، والتي يمكن نظرياً إصلاحها مرة أخرى في المستقبل دون المساس بالجدار الأصلي الثمين بالأسفل. يشير هذا السلوك إلى أن طريقة الإصلاح تفعل أكثر من مجرد ملء ثقب؛ فهي تخلق منطقة يمكنها "التضحية بنفسها" لحماية بقية الهيكل.

كما بحثت الدراسة في الجانب العملي للعمل، حيث سجلت بدقة كمية المواد المستخدمة وتكلفتها. استخدم الفريق 200 كيلوغرام من الخليط لملء مساحة تقارب مساحة قسم من جدار غرفة صغيرة. بلغت تكلفة المواد الخام لهذه الكمية حوالي 180 يوان صيني، أو حوالي 360 يوان لكل متر مربع من السطح المرمم. وبينما لا يشمل هذا تكلفة الروبوت أو العمالة لتشغيله، إلا أنه يوفر خط أساس لفهم كفاءة المواد في هذه العملية. لقد وضع الروبوت المادة بالضبط حيث كانت مطلوبة، مع هدر ضئيل جداً، مما خلق سجلاً دقيقاً لكمية المواد المستخدمة وأين ذهبت.

لا تدعي هذه الأبحاث أنها حلت جميع مشاكل ترميم المباني القديمة. فقد أجريت الاختبارات في مختبر على جدران بُنيت خصيصاً للتجربة، وليس على هياكل عمرها قرون تواجه طقساً حقيقياً وأضراراً معقدة. كما أن الروبوت اتبع مساراً مخططاً مسبقاً بدلاً من مسح الجدار في الوقت الفعلي للعثور على كل شق، ولم يتم اختبار المتانة طويلة المدى للمادة الجديدة ضد الأمطار والتجمد بشكل كامل بعد. ومع ذلك، نجحت الدراسة في إثبات أن نظاماً روبوتياً يمكن استخدامه لإصلاح جدران التربة المدكوكة بطريقة محكومة، وقابلة للقياس، وسليمة إنشائياً. لقد أظهرت أن المادة الجديدة يمكن أن تترابط مع القديمة، وأن الإصلاح يمكنه تحمل الوزن، وأن الطبقة المطبوعة يمكن أن تعمل كدرع واقٍ يحمي الجدار الأصلي.

يشير هذا العمل إلى مستقبل يمكن فيه أن يكون صيانة المباني الترابية التاريخية أكثر دقة وأقل تدخلاً. فبدلاً من الاعتماد كلياً على مهارة حرفي واحد لتقدير مقدار ما يجب ملؤه أو مدى قوة ضغط المواد، يمكن للروبوت اتباع خطة رقمية لإعادة بناء الأجزاء المتضررة باتساق تام. إنه يقدم وسيلة للحفاظ على هذه الهياكل منخفضة الكربون والقديمة من خلال إصلاح ما هو مكسور فقط، باستخدام مواد تنتمي إلى الأرض، وترك سجل واضح للعمل المنجز. لم يحل الروبوت محل الحاجة إلى التقدير البشري في عمليات الحفظ، ولكنه وفر أداة جديدة يمكن أن تجعل المهمة الدقيقة لإصلاح الماضي أكثر موثوقية وأقل خطورة.