في المرة الأولى، استخدم الباحثون موجات الصوت لطباعة جسم ثلاثي الأبعاد من مسافة بعيدة – حتى مع وجود جدار في الطريق. قام مهندسو الهندسة الميكانيكية شيرفين فوروغي ومحسن حبيبي بتحريك عصا صوت فوق صغيرة بعناية فوق بركة من السائل عندما رأوا شكل جليد يظهر ويتماسك لأول مرة. صرخ الثنائي بصوت عال جدًا حتى استطاع زملاؤهم في جامعة كونكورديا في مونتريال سماعهم. “حسنًا ، لو لم يكونوا في المنزل بسبب COVID ، لكانوا قد سمعونا” ، يقول فوروغي. ومع ذلك ، سمحت لهم مكالمة فيديو سريعة بمشاركة إثارتهم: بعد أشهر من الجهود ، قاموا بطباعة جسم صلب عن طريق تعريض سائل لمجال مركز من الموجات الصوتية – المنقولة من خلال جدار صلب.
تكنولوجيا الطباعة المباشرة بالصوت
تعتبر تكنولوجيا الطباعة المباشرة بالصوت الجديدة لفريق كونكورديا أول تقنية تستخدم موجات الصوت لإنشاء هيكل صلب باستخدام موجات الصوت من خلف حاجز. وعلى الرغم من أنها لا تزال تحتاج إلى الكثير من العمل لتصل إلى الجدوى التجارية ، يعتقد الباحثون أن طباعة الأجسام ثلاثية الأبعاد عن بُعد بالتحكم عن بُعد تفتح الباب أمام العديد من الاحتمالات. يمكن أن تمكن هذه التقنية ، وفقًا للباحثين ، من تمكين هندسة الأنسجة بأقل تدخل وإصلاح الزرعات الحيوية داخل الجسم البشري. يمكن أيضًا أن تدعم إصلاحات صناعية في أماكن صعبة الوصول مثل داخل هيكل الطائرة.
طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد التجارية
تشمل معظم طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد التجارية تدفق المواد السائلة – البلاستيك والسيراميك والمعادن أو حتى المركبات البيولوجية – من خلال فوهة وتصلبها طبقة بطبقة لتشكيل هياكل مرسومة بالكمبيوتر. هذه الخطوة الأخيرة هي الأساس ، وتعتمد على الطاقة في شكل ضوء أو حرارة. يتم التحكم في قدرة السائل على إنشاء روابط كيميائية وبالتالي تصلبها عن طريق كمية الطاقة التي يتلقاها كل جزيء – ويتطلب عادة نقل ما يكفي من هذه الطاقة الاتصال المباشر والمركز بين مصدر الطاقة والمادة.
فكرة جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد بالصوت
كان لدى فريق كونكورديا ، بما في ذلك موثوق Packirisamy ، أستاذ هندسة ميكانيكية في الجامعة ، الذي يعمل في تصميم أنظمة الميكروإلكتروميكانيك ، فكرة أخرى. “أردنا القيام بطباعة ثلاثية الأبعاد في الأماكن التي لا يمكن الوصول إليها بالضوء أو الحرارة” ، يقول حبيبي ، الذي كان حينها باحثًا ما بعد الدكتوراه في الجامعة. أدرك الفريق أن موجات الصوت توفر وسيلة لتركيز الطاقة وتلاعبها بسرعة دون الحاجة إلى الوصول المباشر إلى المادة السائلة. “هذا هو الفجوة التي أردنا ملءها” ، يقول حبيبي.
استخدام الموجات فوق الصوتية لتحفيز التفاعلات الكيميائية
استخدام الموجات فوق الصوتية لتحفيز التفاعلات الكيميائية في السوائل ذات درجة الحرارة العادية ليس أمرًا جديدًا بحد ذاته. يعتمد مجال السونوكيمياء وتطبيقاته ، التي نضجت في الثمانينيات في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين (UIUC) ، على ظاهرة تسمى التجويف الصوتي. يحدث هذا عندما تنشئ الاهتزازات فوق الصوتية فقاعات صغيرة ، أو تجاويف ، داخل سائل. عندما تنهار هذه الفقاعات ، تولد البخارات داخلها درجات حرارة وضغوطًا هائلة ؛ وهذا ينطبق على التسخين السريع في نقاط صغيرة جدًا ومحددة. سعى فريق كونكورديا لإطلاق قوة السونوكيمياء كطريقة غير تقليدية لطباعة المواد التقليدية ، فضلاً عن تلك التي من المستحيل طباعتها باستخدام مصادر الطاقة النموذجية. “تلك الحرارات والضغوط التي لا يمكن تصورها في جزء من الثانية تخلق ظروفًا مثالية للطباعة الفورية” ، يقول حبيبي.
تجارب الباحثين ونتائجهم
في تجاربهم ، التي نُشرت في مجلة Nature Communications في عام 2022 ، قام الباحثون بملء حجرة أسطوانية ذات قشرة غامقة بمادة بوليمر شائعة (بولي دي ميثيل سيلوكسان ، أو PDMS) مخلوطة بعامل معالجة. غمروا الحجرة في خزان ماء ، الذي يعمل كوسط لانتشار موجات الصوت إلى الحجرة (على غرار طريقة انتشار موجات الصوت فوق الصوتية من أجهزة التصوير الطبية عبر الجل المنتشر على جلد المريض). ثم ، باستخدام محول صوت فوق صوتي طبي مركب على محرك حركة متحكم في الكمبيوتر ، قام العلماء بتتبع نقطة التركيز لشعاع الموجات فوق الصوتية على مسار محسوب بعمق 18 ملم في البوليمر السائل. بدأت فقاعات صغيرة في الظهور في السائل على طول مسار المحول الصوتي ، وتبعتها سرعان ما تصلب المادة. بعد تجربة العديد من الترددات الفوق صوتية ولزوجة السائل ومعلمات أخرى بدقة ، نجح الفريق في استخدام هذا النهج لطباعة أشكال أوراق القيقب والتروس ذات الأسنان السبعة والهياكل العسلية داخل حمام السائل. ثم قام الباحثون بتكرار هذه التجارب باستخدام مواد بوليمرية وسيراميكية مختلفة ، وقد قدموا نتائجهم في مؤتمر الجمعية الكندية للصوتيات في أكتوبر الماضي.
تطبيقات الطباعة بالصوت
يقول البروفيسور ويليام كينج من جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين ، الذي يركز على المواد والتصنيع المتقدم والنانوتكنولوجيا ونقل الحرارة ولم يشارك في الدراسة الجديدة: “التصنيع باستخدام الصوت فكرة مبتكرة للغاية ، وأنا سعيد لرؤيتها”. يقول إن نهج الموجات فوق الصوتية يحمل إمكانيات مثيرة لإنتاج هندسة ثلاثية الأبعاد معقدة قد لا يكون من الممكن تحقيقها بواسطة عمليات التصنيع الأخرى. ومع ذلك ، يشير إلى أن عمليات طباعة ثلاثية الأبعاد التي أصبحت رائجة الآن نجحت أولاً في إيجاد موطئ قدم في استخدامين أو ثلاثة. “أتطلع إلى رؤية ما إذا كان يمكن للطباعة بالصوت أن تجد التطبيق الضروري للنجاح” ، يضيف كينج.
تطبيقات الطباعة بالصوت في الإصلاحات السريرية وصناعة الطيران
بالنسبة لتيتسيانو سيرا ، الذي يقود مجال التركيز على إعادة توليد الأنسجة الموجهة بالصوت في معهد البحوث AO في دافوس بسويسرا ، فإن أحد التطبيقات المثيرة للاهتمام سيكون إصلاحات سريرية من مسافة بعيدة. وهذا يعني حقن مادة حيوية – مثل الجيلاتين أو الفيبرين (بروتين مهم في تخثر الدم) أو هيدروجل مضمن بالأدوية – إلى موقع ما في الجسم ثم طباعتها في هيكل سيقوم بإصلاح الضرر العضلي الهيكلي أو تحرر التدريجي للأدوية حول موقع سرطاني أو مصاب بالعدوى. تستخدم تقنيات الطباعة الحيوية الأخرى الضوء فوق البنفسجي لتصلب هذه المواد ، ولكن هذا الضوء لا يمكنه اختراق حاجز غامق. يقول سيرا: “يمكن أن تعمل الموجات فوق الصوت في الموقع وتوفر الكثير من التقدم والفرص. “الحقن يتجنب الجراحات الطويلة واحتمال العدوى وتكاليف الرعاية الصحية”. ومع ذلك ، يحذر من أن هذه التقنية لن تعمل للطباعة مع الخلايا الحية. الحرارة والضغط سيقتلهم.
فيما يتعلق بالجانب غير البيولوجي ، يمكن أن تساعد الطباعة بالتحكم عن بُعد في إصلاحات في صناعة الطيران. يقول حبيبي إن المهندسين يمكنهم ضغط البلاستيك السائل في منطقة صعبة الوصول في هيكل الطائرة ثم استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة لتصلب المادة اللزجة إلى هياكل صلبة – مثل عازلات البلاستيك المسامية التي تخفف اهتزازات الطائرة.
الخطوة التالية للطباعة بالصوت
سيكون الخطوة التالية الحاسمة للطباعة بالصوت هي إظهار كيف يمكن لهذه العملية أن تعمل في تطبيقات حقيقية تلبي متطلبات المهندسين ومصممي المنتجات ، مثل قوة المواد والتشطيب السطحي والتكرار.
سيقوم فريق البحث قريبًا بنشر عمل جديد يناقش تحسينات في سرعة الطباعة والدقة بشكل كبير. في ورقة عام 2022 ، قام الفريق بإظهار القدرة على طباعة “بكسلات” بقياس 100 ميكرون على الجانب. بالمقارنة ، يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية تحقيق بكسلات بحجم نصف ذلك.
ومع ذلك ، وفقًا لدانييلي فوريستي ، مهندس ميكانيكي يعمل على نهج جديد للطباعة ثلاثية الأبعاد في أكوستيكابيو ، وهي شركة فرعية لجامعة هارفارد ، فإن الفرق في الدقة ليس سببًا لرفض التقنية الجديدة. بعد كل شيء ، هناك دائمًا اتجاه لمقارنة التكنولوجيا الجديدة بالأدوات المعتمدة بالفعل. “بعض الأشياء موجودة منذ 30 عامًا” ، يقول ، ولقد كان للباحثين وقتًا أطول لتطويرها وتحسين أدائها ، على سبيل المثال ، زيادة الدقة. “عندما تثبت أن آلية جديدة تعمل ولديها إمكانات للتقدم” ، يقول فوريستي ، “فهذا قيمة في حد ذاتها”.
حقوق النشر والأذونات: راشيل بيركويتز هي كاتبة علمية مستقلة ومحررة مراسلة لمجلة الفيزياء. وهي مقرها في فانكوفر ، كولومبيا البريطانية ، وإيستساوند ، واشنطن.
اترك تعليقاً