المرحلة التالية للطباعة الثلاثية الأبعاد

(١) المراحل الثلاث للطباعة الثلاثية الأبعاد

بدأنا هذا الكتاب بالنظر إلى تطور التصنيع بالإضافة كسلسلة من المراحل التي تحدد التقدم البشري في التحكم في المواد. المرحلة الأولى في هذه السلسلة التي في طريقها للنضج اليوم تتضمن اكتساب تحكم غير مسبوق في «تشكيل» الأجسام. يمكن للطابعات الثلاثية الأبعاد اليوم بالفعل تصنيع أجسام من أي مادة تقريبًا؛ من الزجاج إلى النايلون، ومن الشكولاتة إلى التيتانيوم، ومن الأسمنت إلى الخلايا الحية.

إن القدرة المطلقة على صنع الأشكال لها بالفعل تبعات عميقة تتعدى عملية التصميم الهندسي؛ فالتصنيع الواسع النطاق آخذ في التحول إلى التخصيص الواسع النطاق. في المستقبل، وبتطور تقنيات الطباعة الثلاثية الأبعاد، سيمتلك الجميع القدرة على تصميم وصنع منتجات معقدة التركيب. وستزول العوائق الخاصة بالموارد والمهارات المرتبطة بالتصنيع التقليدي، موفرة الابتكار للجميع ومحررة النشاط البشري.

المرحلة الثانية من الرحلة ما زالت في بداياتها: وتتمثل في التحكم في تكوين المادة؛ تَجاوُز صياغةُ الشكل الهندسيِّ الخارجي لصياغة الهيكل الداخلي من موادَّ جديدةٍ استثنائيةٍ الخواصَّ بدقةٍ غير مسبوقة.

يومًا ما، سنقدر على صنع مواد داخل مواد. عندما تقدِر الطابعات الثلاثية الأبعاد على مزج مواد خام بطرق جديدة، سنشهد ظهور فئات جديدة تمامًا من المواد. ستقضي عمليات تصنيع المواد الخام على القيود التقليدية التي تحدد ضرورة صنع كل جزء من مادة منفصلة ثم يحدث التجميع لاحقًا، وبالطباعة بمواد متعددة، يمكن صناعة مكونات عديدة متشابكة في نفس الوقت ومجمعة سلفًا. وعلى مستوًى أصغر، سنبدأ تضمين ودمج مواد خام متعددة في تركيبات معقدة متناهية الصغر محددة بدقة على مستوى الميكرون.

بهذه الإمكانات، ستقدِر على طباعة مضرب تنس بمواصفات خاصة يَزيد بذكاء من قوة ضربتك الخلفية، أو غضروف بديل مصمم خصوصًا لظهرك الذي يؤلمك (رغم أنه من المحتمل أن يُمنع كلاهما في رياضات المحترفين). رغم اتساع نطاق الإمكانات، فإن القليل فقط من العلماء المتخصصين في دراسة المواد يمكنهم التنبؤ بخواص تلك المواد الجديدة، وقليلٌ من المصممين يمكنهم استغلال فضاء التصميم الجديد. ستكون هناك حاجة إلى أدوات تصميم جديدة لتعزيز الإبداع البشري.

المرحلة الثالثة من هذه الرحلة — التي بدأنا نرى علامات مبكرة منها — هي التحكم في سلوك المادة. في هذه المرحلة سنتجاوز التحكم في شكل المادة، كما هو الحال في المرحلة الأولى، وسنتجاوز التحكم في تكوين المادة، كما هو الحال في المرحلة الثانية. في المرحلة الثالثة سنكتسب القدرة على برمجة المواد لتتصرف بالطرق التي نريدها. سننتقل من طباعة أجزاء ومواد خام سلبية إلى طباعة أنظمة نشطة ومتكاملة يمكنها الاستشعار والاستجابة والحساب والتصرف. سننتقل من التحكم في الوظيفة الميكانيكية لجسم ما إلى التحكم كذلك في كيفية معالجته للمعلومات والطاقة.

عندما يأتي هذا اليوم، سنقدر على طباعة كل شيء (تقريبًا)؛ من الهاتف المحمول حتى روبوت يخرج ماشيًا من الطابعة. لكن مثل أي قصة خيال علمي، هذا ليس كل شيء؛ فالروبوت لن يشبِه بأي حال من الأحوال روبوتات اليوم بسبب أنه لن يخضع لقيود التصنيع التقليدي، ولن يكون مصممًا بواسطة البشر مباشرةً بسبب أن فضاء التصميم الجديد واسع للغاية ولا يقدِر البشر على سَبْر أغواره. ستَفتح القدرةُ على تصنيع نظم نشطة مصنوعة من تركيبات ثانوية سلبية ونشطة في ظل هذه الحريةِ، البابَ لفضاء جديد من التصميمات ونموذج جديد من التصنيع في قوة ما يحدث في الطبيعة.

(٢) التصنيع بعدة مواد في نفس الوقت

تكمن في قلب المستقبل الأبعد أمدًا لتقنيات الطباعة الثلاثية الأبعادِ القدرةُ على الطباعة باستخدام عدة موادَّ في آنٍ واحد. ذكرنا في فصول سابقة طابعات تطبع عدة مكونات كلٌّ منها مصنوعة من مادة مختلفة. على سبيل المثال، يمكن لرأس طباعة يَطبع البلاستيك الطباعةُ باستخدام البلاستيك الأحمر في يومٍ والأبيض في اليوم التالي، ويمكن لطابعة معادن الطباعةُ بالتيتانيوم الممزوج بالصلب غير القابل للصدأ، ويمكن بالفعل للقدرة على التصنيع بعدة مواد في نفس الوقت التخلصُ من التحديات والقيود للتجميع التقليدي وتمكيننا من صنع أجسام معقدة بنحو متزايد. لكن ما يجعل هذا الشكل من التصنيع مثيرًا حقًّا هو القدرة على الطباعة باستخدام مواد عديدة في نفس الوقت؛ وهو ما يؤدي إلى دمجها معًا لتُنتج موادَّ جديدة معقدة واستثنائية الخواص.

في الأيام الأولى للطابعات الورقية، كان هناك بعض طابعات مصفوفة النقاط التي تمتلك شريطًا رباعي الألوان يمكنه طباعة نقاط بالأحمر أو الأخضر أو الأزرق أو الأسود. على الرغم من ذلك، يمكنك اختيار لون واحد فقط في كل مرة. حتى إنه كان هناك راسمات أقلام يمكنها استخدام ثمانية أقلام بثمانية ألوان مختلفة، لكن كان يجب عليك تحميل الألوان التي تريدها في الراسم مقدمًا، وكل خط يستخدم قلمًا واحدًا فقط.

حدثت النقلة التكنولوجية عندما أصبحت الطابعات قادرة على مزج الألوان الأساسية بنحو فوري بدقة عالية، وبدقة وضوح كبيرة بنحو متزايد. ومثل الانتقال من الطابعة أحادية اللون إلى الطابعة الملونة، أو من تلفزيون أبيض وأسود إلى تلفزيون ملون، فإن إضافة ثلاثة ألوان أساسية فقط تعطي المساحة لظهور ملايين الدرجات من الألوان. ستزيد تعددية ما يمكنك صنعه بطابعة ثلاثية الأبعاد «بنحو مطَّرِد» عدد المواد الأساسية التي يمكن طباعتها ومزجها بنحو متزامن. يرجع هذا إلى أنه يمكنك الطباعة ليس فقط بهذه المواد الأساسية لكن كذلك باستخدام تركيبات من تلك المواد؛ مما يفسح المجال لعدد هائل من المواد الجديدة.

إحدى الشركات الرائدة في استكشاف الطباعة بمواد متعددة هي أوبجيت، وهي شركة إسرائيلية تقع بالقرب من تل أبيب، واندمجت مؤخرًا مع شركة استراتاسيس. زرت مقر أوبجيت لرؤية ما سيأتي في المستقبل. تعمل الشركة، التي تقع في حديقة علمية صاخبة بالقرب من بساتين أشجار البرتقال، على تغيير نظرة الناس إلى المواد الخام. قادني مدير التكنولوجيا التنفيذي في الشركة، إدواردو نابادنيسكي، وكبير علماء المواد، دانيال ديكوفسكي خلال قاعة الاستقبال المليئة بنماذج تشريحية ونماذج أولية صناعية وألعاب، جميعها مطبوعة باستخدام مواد متعددة.

أوضح إدواردو ودانيال أن الطباعة متعددة المواد لا تتعلق فقط بمزج المواد الخام، بل كذلك بصنع أنواع جديدة تمامًا منها.

عندما يستحوذ الاهتمام بالمواد الجديدة على علماء المواد، عادةً ما يكونون مهتمين بخواص تلك المواد الجديدة مثل الوزن والقوة والمرونة. وغالبًا ما يهتم المهندسون بتركيبات من الخواص؛ مثل مادة تتميز بالخفة والقوة في آنٍ واحد أو المرونة والوضوح البصري. بعض خواص المواد بديهية مثل الكثافة والمرونة، والأخرى أقل بداهة مثل عدد دورات الدفع والجذب التي يمكن للمادة المرور بها قبل أن تنكسر أو إلى أي مدًى يمكنها التمدد قبل أن تنقطع. على سبيل المثال، عندما يصمم المهندسون جَناح طائرة، يجب أخذ دورات الدفع والجذب التي يتعرض هيكل الجَناح بسبب المطبات الهوائية أو الضغط على جسم الطائرة الناتج عن دورات الضغط وتخفيف الضغط، في الاعتبار، وهي خاصية تُعرف باسم حد الإجهاد.

يمكن أن تصبح خواص المواد معقدة في فهمها والتنبؤ بها، ويظل تطوير المواد المناسبة لغرض تصنيعي ما هو الهدف الأسمى لعلوم وهندسة المواد. يمكن للطباعة الثلاثية الأبعاد توسيع نطاق المواد التي يمكن صنعها على نحو كبير. ومع ذلك، فإن المشكلة هي أننا لا ندري أين نبحث وماذا نتوقع.

في أول مرة تَطبع فيها بمواد متعددة، يكون انطباعك البديهي هو أن خواص المواد المختلفة المدمجة ستقع في مكان ما بين خواص المواد الأساسية. من المنطقي أن تعتقد أنك ستحصل، إذا مزجت بين المواد الصلبة واللينة بمقادير متساوية، على مادة نصف صُلبة ونصف لينة. لكن هذا صحيح جزئيًّا فقط؛ فحصيلة المادة الناتجة تعتمد على «كيفية» مزجك للمواد.

على سبيل المثال، إذا طَبعتَ باستخدام مادتين إحداهما لينة والأخرى صُلبة، في نمط يشبه رقعة الشطرنج؛ فستكون النتيجة مادة جديدة بقوة محددة. لكن إذا طبعت بنفس المادتين بنفس القدْر لكن في نمط عشوائي، فستحصل على مادة أكثر قوة؛ فالنمط، وهو الطريقة لمزج المواد المختلفة معًا بواسطة الطابعة، عاملٌ مهم.

إذا دققت النظر في نمط رقعة الشطرنج، على سبيل المثال في تغطية الأرضيات بالبلاط، فيمكنك رؤية الأشكال البيضاء والسوداء القُطرية المرتبة بالتبادل. وبالمثل، عندما تُطبع مادتان على هيئة هذا النمط، فإن السلاسل القُطرية الطويلة التي من المادة اللينة تصبح «الحلقة الضعيفة»؛ وهو ما يجعل المادة المركبة ضعيفة. لكن عندما تُطبَع مادتان في نمط عشوائي، لا توجد أي حلقة ضعيفة مصفوفة بدقة كهذه؛ ولذا تكون المحصلة النهائية مادة أكثر صلابة.

أدرك العلماء منذ وقت طويل أن ترتيب الذرات على المقياس النانوي في أي مادة يتعلق بخواصها على المقياس العياني. وقبل ذلك بقرون، أدرك أصحاب المهن أن الأنماط العشوائية أقوى من الأنماط القياسية: كان الحدادون يضعون السيوف المعدِنية الساخنة في ماء بارد حتى يبرد المعدِن بسرعة، ويشكل بِلَّورات صغيرة تحوي الكثير من الأنماط الحدودية العشوائية بدلًا من تركه ليبرد ببطء ليصبح حديدًا لينًا مطاوِعًا ذا سطح أملس ناعم. لكن للمرة الأولى، يمكننا «التحكم» في هذه الأنماط بنحو مباشر وصريح؛ ليس على المقياس النانوي بعدُ، لكن على مستوى عياني آخذ في التضاؤل تدريجيًّا.

يمكن أن تصبح خواص المواد حتى أكثر غرابة، فإذا طبعت بعدة مواد بأنماط معينة، فإن خواصها يمكن أن تخرج عن نطاق المواد الأساسية؛ فيمكنك المزج بين المواد القوية والضعيفة بنمط محدد للحصول على مادة مركبة جديدة أكثر صلابة حتى من أي من المادتين الأصليتين. الأمر يشبه نوعًا ما الحصول على مادة تشبه الصُّلب بمزج البلاستيك والخشب، وهما مادتان أقل صلابة من الصلب.

أحد الأمور التي تجعل أي مادة ضعيفة هو أن التشوهات الضئيلة يمكنها أن تتحول إلى شقوق صغيرة، تنمو بعد ذلك وتمتد داخلَ التركيب حتى ينكسر. عندما يمكننا تضمين المادة اللينة بنحو استراتيجي داخلَ مادة هشة، فإن هذه الرقع الترميمية من المادة اللينة يمكنها إيقاف نمو الشقوق؛ مما يؤخر أثرها المأساوي على المادة الصلبة ويجعلها أكثر قساوة. تمتلك أصداف المحار خواصَّ مشابهة مثيرة للاهتمام، لكن حتى وقت قريب، كان صنع هذه المواد من اختصاص الطبيعة فقط؛ فنحن لا نقدر بالتأكيد على صنع مواد كهذه بالقولبة بالحقن، لكن عن طريق الطباعة بمواد متعددة، ربما نقدر على تصنيعها متى أردنا.

إليكم مثالًا آخر لكنه يتعلق بمرونة المواد وكيف تنثني وتمتد تحت الحِمل. إذا قمت قبل ذلك بمط شريط مطاطي، فستلاحظ أنه يطول، لكنه كذلك يصبح أرفع. يحدث هذا مع معظم المواد، وهو ما يعرف باسم «أثر بواسون»، على اسم عالم الرياضيات والفيزياء الفرنسي سيميون دوني بواسون الذي ميَّز هذا لأول مرة بنحو منهجي. لكن من الممكن الطباعة بمواد صُلبة ولينة في نمط يتسبب في «تمدد» المادة فعليًّا عندما تتعرض للشد والمط طوليًّا. هذه الخاصية الغريبة غير الطبيعية هي لمادة تمتلك نسبةَ بواسون سالبةً، أو ما يُعرف أيضًا باسم المادة «الأوكستكية».

إن المواد الأوكستكية لا توجد في الطبيعة، ويصعب تصنيعها بطرق التصنيع التقليدي. لكن بوجود طابعة ثلاثية الأبعاد تطبع موادَّ متعددة بدقة عالية، يمكن صنع هذه المواد حسب الطلب، وتضمينها داخل تركيبات أخرى لصنع آلات غريبة وجميلة. على سبيل المثال، تُصنع السيارات من مواد مصممة باستخدام مواد أوكستكية لامتصاص الطاقة عند الاصطدام حتى لا يتعرض الركاب لأي أذًى. سيمتص المِصَد الأمامي أثر الاصطدام، ويرسل الطاقة في اتجاهات مختلفة باستخدام أنماط من المواد التقليدية والأوكستكية.

هناك أنماط أخرى يمكن أن تمتلك سلوكيات أكثر فائدة وغرابة. من الممكن طباعة مواد صُلبة ولينة في أنماط رقائقية تجعل الناتج مرنًا في اتجاه وصُلبًا في اتجاه مختلف. هذه الخاصية ربما لا تكون مثيرة في حد ذاتها، حتى تدرك أنه يمكنك طباعة الأشياء بخواص مرنة مخصصة. على سبيل المثال، يمكن لدعامة أو جزء مزروع مخصص مساعدة مريض بعد جراحة في الركبة عن طريق السماح للمريض بثني ركبته بنحو حر في اتجاه ما مع دعم الركبة في اتجاه آخر، ويمكن لقفاز مخصص تحسين قدرة متسلق للصخور على التعلق بالشقوق في الجبال.

خلال زيارتي لشركة أوبجيت، أخرج إدواردو ودانيال من أحد الأدراج بضع قطع من مواد جديدة غريبة. أرياني قطعةً قالا إنها مادة مطبوعة ذاتية الالتئام. وأوضحا أن هذه المادة يمكنها تحمُّل الإجهاد حتى نقطة قصوى ما، ثم عندما يَزيد الإجهاد عن هذا الحد، فإن المادة تنهار، ثم يمكن أن «تلتئم» تمامًا بعد تلاشي الإجهاد.

مثل هذه المادة تُصنع بترسيب مادة خام في «كرات وحُقوق» متشابكة متناهية الصغر. ستظل المادةُ المصنوعة من ملايين المكونات المتشابكة مرنةً حتى تخرج الكرات من حُقوقها. إذا تعرضت المادة للضغط، فإن الكرات سترجع لأماكنها وستستعيد المادة سلوكها الأصلي مرة أخرى.

عندما فحصتُ مادة أوبجيت المبتكرة عن قُرب، بدت كما لو كانت نوعًا من البلاستيك الرَّماديِّ العاديِّ. تخيلتُ كيف يمكن أن تكون مادة الطباعة هذه العادية — والاستثنائية في نفس الوقت — مفيدة. إذا تعرَّض مِصَد الصدمات في سيارتك للتحطم لأنك رجعت واصطدمت بشجيرة في نهاية ممر السيارة خاصتك (وهذا من واقع تجرِبة)، فتخيل كم سيكون من اللطيف إذا كان يمكنك إرجاع المِصَد المنكسر لمكانه مرة أخرى ليلتئم ذاتيًّا بنحو كامل.

يمكن للمواد الديناميكية التغير من الصلابة لليونة اعتمادًا على كم الإجهاد الذي تتعرض له. ومثل القهوة المطحونة التي تكون صلبة كقطعة الطوب عند تعبئتها بتفريغ الهواء لكنها تتدفق مثل سائل عند تحريرها من الغِلاف، فإن ما يُعرف بالمواد المضغوطة يمكن طباعتها بحيث تغير من صلابتها استجابةً لبيئتها.

أثرُ صُنع الأنماط على خواص المواد بعيدٌ كلَّ البعد عما هو متوقع. يقضي علماء ومهندسو المواد مسيراتهم الوظيفية محاولين التنبؤ بخواص حتى المواد المركبة البسيطة نسبيًّا مثل رقائق ألياف الكربون. سيؤدي ظهور الطابعات الثلاثية الأبعاد التي تستخدم مواد خام متعددة بدقة عالية إلى ظهور حيز تصميم فسيح جديد؛ مما سيجعل من الصعب التنبؤ بخواص المواد التي ستصبح ممكنة الصنع، هذا ناهيك عن استخدامها في التصميم. وبزيادة قدرات الطابعات الثلاثية الأبعاد في ترسيب المواد المتعددة، سيكتشف الناس موادَّ جديدة بالصدفة أحيانًا، وبالبحث الدقيق في أحيان أخرى. ومثل الحاجة لأدوات جديدة للتصميم بمساعدة الكمبيوتر لمساعدة المصممين في استكشاف أشكال جديدة باستخدام لغات ومفاهيم تصميم جديدة، فإن هناك حاجة إلى أدوات تصميم جديدة لاستكشاف نطاق جديد من المواد.

(٣) الانتقال من طباعة أجزاء سلبية إلى أنظمة نشطة

حتى الآن، ناقش هذا الفصل طباعة مواد سلبية؛ صُلبة أو لينة، مرنة أو قاسية. تستجيب المواد السلبية لبيئتها المحيطة بنحو آلي قابل للتوقع. في المستقبل، سنطبع مواد نشطة تتصرف وتتفاعل وتشعر وتحسب وتستجيب لبيئتها. وقد واجه السعي إلى طباعة هذه المواد الكثير من النمو المتذبذب؛ ونتيجة لهذا، فإن الأغلبية الكبرى من الأجسام التي نجحت طباعتها بنحو ثلاثي الأبعاد ما زالت من النوع السلبي، سواء أكانت كبيرة أم صغيرة، بسيطة أم معقدة.

أسهل ما يمكن إنجازه في مجال طباعة المواد النشطة هو طباعة المواد الموصلة للكهرباء. نعرف بالفعل كيفية الطباعة بالمعادن التي هي مواد موصلة جيدة. ما المشكلة إذن؟ التحدي يكمن في طباعة مواد موصلة للكهرباء موضوعة داخل مادة غير موصلة مثل أسلاك النُّحاس المغلفة بعازل بلاستيكي. إذا أمكنك طباعة مواد موصلة داخل مواد غير موصلة، فيمكنك طباعة — على سبيل المثال — أجزاء الروبوتات بشبكة أسلاك مجمَّعة سلفًا، وأغطية للهواتف المحمولة بهوائيات معقدة بمواصفات خاصة، وأجزاء تعويضية بمستشعرات داخلية، وأنواع جديدة تمامًا من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.

تُمثِّل طباعة أسلاك موصلة تحديًا مزدوجًا؛ تحديًا يتجاوز مجرد الطباعة بمواد متعددة، إنه يكمن في التأكد من أن المادتين متوافقتان على نحو متبادل، فإذا حاولتَ الطباعة باستخدام المعادن والبلاستيك في نفس الوقت، فإن درجة الحرارة المطلوبة لانصهار المعدِن ستحرق البلاستيك مما يجعل المادتين غير متوافقتين.

من الممكن العثور على أنواع خاصة من المعادن الموصلة التي تمتلك درجة حرارة انصهار منخفضة متوافقة مع البلاستيك، لكن هذه المواد نادرة الوجود وصعبة الاستخدام. بدلًا من ذلك، من الممكن العثور على موصلات غير معدِنية مثل البلاستيك الموصل للكهرباء لكنها ما تزال أقل في الموصلية من المعادن؛ ولذا يستمر البحث.

داخل شركة أوبجيت، كان إدواردو ودانيال واثقَيْن من أن طباعة المواد الموصلة للكهرباء المضمنة داخل مواد هيكلية غير موصلة أمرٌ ممكن الحدوث. كانا مصرَّيْن أن التحديَ ليس تقنيًّا لكنه مسألة أولوية عمل. تسعى الصناعة الخاصة بالطباعة الثلاثية الأبعاد الآن للوصول لمواد طباعة ثلاثية الأبعاد تتميز بقوةٍ وتحمُّل أكبر. وما زالت المواد الموصلة تكمن فيما وراء الأفق التِّجاري القصير الأمد؛ فهي ليست أولوية بعدُ.

هناك حلقة مفرغة هنا؛ فالصناعة تبحث عن مواد خام أقوى لأنها تبحث عن منافسة المواد والقدرات الحالية لتقنيات التصنيع التقليدية. إن القدرة على تصنيع شبكة أسلاك داخلية بنحو ثلاثي الأبعاد أمرٌ غير موجود حاليًّا بأي شكل في أي نوع من التصنيع التقليدي. وباستثناء بعض مصممي الروبوتات التقدُّميين، لا توجد أية سوق بعدُ لشبكات الأسلاك المطبوعة بنحو ثلاثي الأبعاد.

على الرغم من ذلك، فإن العلم يحتِّم أن تنظر إلى ما وراء الأفق القصير المدى، فإذا نظرت إلى المستقبل البعيد، فإن المواد الموصلة ستكون قمة الجبل الجليدي الخاص بالمواد النشطة، وطباعة البطاريات والمحركات والمشغلات الميكانيكية والترانزستورات والمستشعرات هي جزء بسيط فقط من الاحتمالات التي يستكشفها الباحثون اليوم.

عندما ننظر إلى طباعة المواد النشطة، ففي الواقع نحن نتحدث عن طباعة أنظمة نشطة. من النادر أن تكون أي مادة نشطة مفيدة في حد ذاتها؛ فعادةً ما يتطلب الأمر دمج عدة مواد نشطة معًا لإنتاج شيء مفيد. يكمن التحدي في الانتقال من طباعة أجزاء سلبية مصنوعة من مادة واحدة إلى طباعة أنظمة نشطة متكاملة من مواد متعددة.

تُعد البطارية المطبوعة بنحو ثلاثي الأبعاد مثالًا جيدًا على نظام متكامل. إذا فتحتَ كتابًا عن كيمياء البطاريات، فستجد عشرات الطرق لصنع البطاريات سواء كانت بطاريات قلوية تقليدية أو بطاريات ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن أو بطاريات زنك-هواء، أو غيرها الكثير. تمتلك جميع البطاريات نفس التركيب الأساسي؛ مادة للقطب الموجب وأخرى للسالب ﺑ «طبقة فاصلة» بينهما؛ مثل ساندوتش جُبن بقطعة خبز أبيض من أعلى وقطعة خبز من القمح الكامل من أسفل، بعد ذلك يُطوَى هذا الساندوتش الكبير الرفيع ويُوضع في أنبوب ويُوصل بسلكين أحدهما يتصل بالقطب الموجب والآخر بالسالب.

ما يجعل البطارية تعمل هي الأيونات (الذرات المشحونة) الموجودة في القطب الموجب والتي تريد بشدة الانتقال إلى القطب السالب. وعندما تنتقل إليه، تصنع تيارًا كهربائيًّا ضئيلًا. تساهم التركيبات المختلفة لمواد القطبين الموجب والسالب (الخبز) والطبقات الفاصلة (الجبن) والأشكال الهندسية للبطارية في اتساع نطاق أنواع البطاريات وسمات أدائها.

انضم إيفان مالون إلى معملنا في جامعة كورنيل بعد ظهور خبر الروبوت الأول على جريدة «ذا نيويورك تايمز». كان هدف إيفان هو طباعة روبوت يخرج ماشيًا على قدميه من الطابعة. وقبلَ مواجهة أي تحديات تقنية بفترة طويلة، احتاج إيفان لمواجهة تحدٍّ من نوع آخر؛ فلم تكن تسمح أي طابعة تِجارية متاحة في ذلك الوقت، للناس من خارج الشركة، باستكشاف أي مواد جديدة. كانت شركات الطباعة الثلاثية الأبعاد تحمي براءات الاختراع لموادها بإحكام، وكانت أي محاولة لاستخدام مواد غير مصرَّح بها تؤدي إلى خسارة الضمان. علاوة على ذلك، فإن أي باحث متعقل لن يضع موادَّ نشطة في آلةٍ ثمنها يصل إلى مائة ألف دولار لتعلق داخلها وتتوقف عن العمل.

ألهم السعي من أجل استكشاف مواد جديدة متحررة من القيود التي تفرضها الطابعات التِّجارية الحالية (القيود التقنية والتعاقدية) مشروع فاب آت هوم (وبدرجةٍ ما أيضًا مشروع ريب راب) وسلسلة من المنصات المفتوحة «القابلة للاختراق» للطابعات الثلاثية الأبعاد التي ظهرت بعد ذلك. إن الطابعات الرخيصة البسيطة المعتمدة على أسلوب الصنع الذاتي أكثر انفتاحًا أمام الابتكار وأقل مأساوية بالنسبة إلى مستخدمها إذا تعطلت عن العمل.

وضع إيفان المواد المناسبة داخل طابعة ثلاثية الأبعاد، وواجه أول عقبة فورًا؛ إذ تحولت المادة المصنَّعة للقطب الموجب — وهي مسحوق الزنك — إلى معجون، ورفضت التدفق من رأس المِحْقن، وكلما ضُغط زادت مقاومة المادة.

عندما تغلَّب على المشكلة باستخدام أنواع مختلفة من الصابون والجل، واجه التحديَ التالي؛ كانت وصفة الصنع الخاصة بمعظم البطاريات تحتِّم وضع طبقة فاصلة مصنوعة من الورق؛ وحتى البطاريات التِّجارية الموجودة في منزلك، غالبًا ما تمتلك طبقة ورقية تفصل بين مادتي القطبين السالب والموجب (هذه هي شريحة الجبن التي تقع بين شريحتي الخبز). لا يمكن أن تكونَ هذه الطبقة الفاصلة مصنوعة من أي مادة؛ بل يجب أن تكون من مادة شبه منفِذة؛ مما يتيح للأيونات التدفق من خلالها من دون تدفق الإلكترونات. الورق مادة مثالية، لكن، وللمفارقة، يمكننا الطباعة بأي شيء تقريبًا ما عدا الورق. وبعد شهور من التجارِب، اكتشف إيفان طريقة لصنع طبقة فاصلة قابلة للطباعة مصنوعة من نوع خاص من الجل.

بامتلاك إيفان لوصفة جديدة وخمس مواد مختلفة، طبع مجموعة متنوعة من البطاريات، ورغم أن سعة طاقتها كانت تقريبًا نصف سعة أي بطارية صناعية محسَّنة بنفس الحجم، كان شكلها الهندسي مخصصًا بالكامل. كان يمكنه الآن طباعة بطاريات بأي شكل يريده؛ على سبيل المثال، على هيئة ساق ليستخدمها كجزء من روبوت.

تُعتبر طباعة المشغلات الميكانيكية — وهي نظم مصنوعة من مواد نشطة قادرة على الحركة — أكثر تحديًا. طبعنا مشغلات نشطة كهربائيًّا من البوليمر والشمع، وحتى مشغلات كهرومغناطيسية. ومع ذلك، فإن التحديَ الأكبر يكمن في جمعها معًا؛ فلا يكفي مشغل واحد فقط أو بطارية مفردة. أفضل إنجاز للطباعة المتعددة المواد النشطة سيكون صنع روبوت كامل يمكنه الخروج من الطابعة ماشيًا مكتملًا بالبطاريات.

(٤) المرحلة الأخيرة: التحول من العالم التناظري إلى العالم الرقمي

يحدث الارتباك بسبب أن أجهزة الكمبيوتر الرقمية تُتيح مجالًا لحدوث المعاني الثلاثة؛ فهي في نفس الوقت تعرض المعلومات بنحو افتراضي وإلكتروني، وباستخدام بتات منفصلة من الواحد والصفر، لكن من الممكن امتلاك أجسام «رقمية» توجد في شكل مادي، وفي نفس الوقت تحتفظ بطبيعتها الرقمية بالمعنيين الآخرين للكلمة؛ فهي قابلة للبرمجة ومكونة من الكثير من البِتَّات المنفصلة الصغيرة.

معظم الأجسام المادية تمتلك سلوكًا تناظريًّا، والأنظمة التناظرية مستمرة؛ مما يعني أنها تتحرك بنحو سلس — مثل عقرب الدقائق في الساعة الذي يتحرك بسلاسة في أوضاع وسيطة لا نهائية على مدار الساعة. لكن الساعة الرقمية لا تتحرك بنحو مستمر؛ فهي تمتلك ٦٠ حالة وسيطة، وتكون في حالة ثم تنتقل إلى الأخرى لحظيًّا. إن ملفات الكمبيوتر رقمية؛ ما يعني أنها مكونة من الواحد والصفر، ولا يوجد شيء في المنتصف بينهما.

وبالعكس، فإن معظم أساليب التصنيع الحالية لا يمكن اعتبارها تناظرية لأن المواد المُنتَجة عمليًّا مستمرة، لكن لا يجب أن تكون هذه هي الحالة.

قابلت نيل جيرشينفيلد لأول مرة في مركز البتات والذرات خاصته في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. في حقيقة الأمر، تملَّكتني الغَيرة من الاسم الرائع الذي اختاره لمركزه. لم أكن لأختار اسمًا يصف جوهر عملي أفضل من هذا. كان هذا في صيف عام ٢٠٠٥، وكنا قد أنهينا لتوِّنا المرة الأولى من طباعة البطاريات. كانت البطارية المطبوعة «رقمية» بمعنى أنها نشطة إلكترونيًّا، لكنها كانت مادية وتناظرية جدًّا بالمعنيين الآخرين؛ حيث كانت مكونة من دفقات مستمرة من المواد الخام.

وصفتُ له أول محاولة لنا لطباعة دائرة إلكترونية بنحو مستفيض. وكان رد فعله نافذَ الصبر؛ إذ قال: «لماذا لا تُرسب شريحة إلكترونية بداخلها الدائرة المصنَّعة سلفًا بالكامل؟» بينما مد يده في درجٍ ما وأخرج شريحة ترانزستور متناهية الصغر لا تزيد في حجمها عن حجم حبة الأرز، فماذا لو رسبنا قطيرات … من الدوائر الكهربائية بدلًا من قطيرات الحبر؟

في البداية، ظننت أن جيرشينفيلد لم يفهم المغزَى من الأمر؛ فترسيب مكونات دوائر إلكترونية مصنعة سلفًا يُعتبر غشًّا؛ فهو يلغي بالكامل الهدف من وراء طباعة الدوائر الإلكترونية في المقام الأول، لكن كلما فكرت في الأمر، أصبح منطقيًّا بالنسبة إليَّ؛ فأي حياة بيولوجية مكونة من ٢٢ عنصرًا أساسيًّا — وهي الأحماض الأمينية — ترتب نفسها بتبديلات مختلفة لتُنتج أعدادًا لا حصر لها من البروتينات وأشكال الحياة في النهاية.

ربما يرى علماء الأحياء أن الحياة لا تتعلق فقط بالأحماض الأمينية. بالطبع، تحتاج الأجسام الحية إلى الطاقة لتجمع الأحماض الأمينية معًا أو تفككها. لكن إلى حد كبير يتكون هيكل الحياة من العناصر الأساسية المتمثلة في الأحماض الأمينية. هذا يتيح إمكانية الإصلاح الذاتي لأشكال الحياة البيولوجية، ويمكن للحيوانات والنباتات التهام بعضها بعضًا وإعادة استخدام المادة الحيوية؛ لأننا جميعًا مصنوعون من نفس المجموعة الصغيرة نسبيًّا من العناصر الأساسية البالغ عددها ٢٢ عنصرًا.

بنفس الطريقة التي يكون بها البكسل العنصر الأساسي لأي صورة، والبت هو وحدة بناء المعلومات، والحَمض الأميني هو وحدة بناء الجسم الحي، فإن الفوكسل هو البكسل الحجمي. إن الوحدات الأساسية للأجسام المادية هي الذرات. والوحدات الأساسية للمادة المطبوعة ستكون أكبر في الحجم بضع مئات من الميكرونات، وهو ما يساوي حبة رمل.

ومثل بضعة ألوان في لوحة الرسام، يمكن لأنواع قليلة من الفوكسلات فعل الكثير. إذا كان يمكن لأنواع العناصر الاثنين والعشرين تكوين كل الحياة البيولوجية، فإن بضعة فوكسلات أساسية يمكن كذلك أن تفتح المجال لنطاق كبير من الاحتمالات. بدايةً، دعونا نمزج بين الفوكسلات الصلبة واللينة. وباستخدام هذين النوعين فقط من الفوكسلات، من الممكن صنع مواد صلبة ولينة. وبإضافة الفوكسلات الموصلة، يمكن صنع شبكات الأسلاك. وبإضافة فوكسلات المقاومات والمكثفات والمحثات والترانزستورات، يمكن صنع الدوائر الكهربائية. وبإضافة فوكسلات المشغلات الميكانيكية والمستشعرات، سنحصل في النهاية على روبوتات.

لا توجد الفوكسلات بعدُ خارجَ جدران المعامل، ولا تعمل الطابعات التي يمكنها التعامل معها بعدُ على مستوًى عملي. لكن فكرة أن الأجسام التي نستخدمها في الحياة اليومية ستكون مصنوعة من مليارات الفوكسلات المتناهية الصغر من أنواع قليلة نسبيًّا، أمرٌ محير للعقل. وكما أن الأحماض الأمينية هي المُعامِل المشترَك الأصغر الذي يمكِّن الطبيعة من تدوير المواد بنحو مثالي، فإذا صُنعت كل المنتجات من بضع عشرات من الأنواع من الفوكسلات الأساسية، فيمكن أن «تُطبع» المنتجات ثم تتحلل لتُعاد طباعتها على هيئة منتجات أخرى.

لتحقيق هذه الرؤية، نحتاج إلى صنع فوكسلات متناهية الصغر، والعثور على طريقة لتجميعها بنحو سريع. يوضح حساب سريع أنه لصنع جسم صغير في حجم صندوق حذاء من فوكسلات بحجم ذرات الرمال، ستحتاج تقريبًا لمليار فوكسل، وتجميع مليار فوكسل يمكن أن يستغرق الكثير من الوقت؛ حتى لو كان بإمكان روبوت تجميعها بدقة بمعدل فوكسل في الثانية الواحدة، فسيستغرق الأمر نحو ٣٠ عامًا. الحل هو تجميع الكثير من الفوكسلات بنحو متوازٍ أو ترسيب طبقة كاملة من الفوكسلات في المرة الواحدة بنحو متزامن.

في المستقبل، ربما تكون المجمِّعات قادرة على استيعاب أعداد ضخمة من الفوكسلات بنحو متوازٍ (أي العديد من الفوكسلات في المرة الواحدة) وترسيبها في طبقات بنحو متزامن؛ مما يفتح الباب لما سيصبح يومًا ما «المواد الرقمية». للتفرقة بين هذه الطابعات وأسلافها التناظريين، أطلقنا اسم «المُجمِّعات السريعة» على هذا الجيل الجديد من الآلات. ستكون الثورة التالية للطباعة الثلاثية الأبعاد هي الانتقال من المواد الخام التناظرية إلى المواد الخام الرقمية.

(٥) آلات تصنع آلات

التفرد التقني — وهو مفهوم نشره الكاتب راي كيرزويل — هو مستقبل افتراضي تمتلك فيه الآلاتُ قدراتٍ تُمكِّنها من تسريع تطورها الذاتي بنحو مطَّرِد. أحد أكثر الجوانب المدركة بنحو كبير لفكرة التفرد هو «الانفجار الذكي»؛ حيث تصمم الآلات الذكية أجيالًا متتالية من الآلات المتزايدة في القوة والذكاء.

وعلى الرغم من التطور الذي وصلت إليه آلات التصنيع في العصر الحديث، فإنها لا تمتلك القدرة على تصميم وإنتاج نسخ مادية من نفسها، فلا يمكن لآلات اليوم إعادة تصميم نفسها استجابةً لتحدٍّ ما في بيئتها المادية. ستتحدى تقنيات الطباعة الثلاثية الأبعاد فكرتنا عما هو طبيعي أو معتاد أو أصلي بتوفير الحلقة المفقودة في فكرة التفرد.

ستقدِر الطابعات الثلاثية الأبعاد يومًا ما على تصنيع مواد نشطة رقمية لها القدرة على إعادة تهيئة نفسها لتصبح آلات ذكية ستقوم بدورها بإعادة تصميم وصناعة نسخ محسَّنة من نفسها.

تُعتبر فكرة الآلات المصنِّعة للآلات فكرةً متكررة في قصص الخيال العلمي والدراسات الأكاديمية الجادة. هناك سببان محتملان لهذا الافتتان بالفكرة: الأول هو نظرة عملية لقابلية التوسع. إن صنع أي آلة يمكنها صنع المزيد من الآلات يستغل التكنولوجيا لأقصى حد؛ فبغياب العنصر البشري عن العملية، يصبح الإنتاج قائمًا فقط على توافر المادة الخام والطاقة والوقت.

السبب الثاني لهذا الافتتان بهذا الموضوع ربما يرتبط باحتياج نفسي أعمق — أو ما يمكن أن يسميَه البعض اعتزازًا بالذات — وهو احتياجنا لإبداع الأشياء. إن الأمر الذي يميز الشيء الطبيعي عن الشيء الصناعي هو أن الأول يمكن أن يتكاثر، أما الآخر، فلا. والتكاثر الذاتي في جوهره هو السمة الأسمَى لعالم لأحياء. وإذا كان يمكنك صنع آلة تصنع آلات أخرى؛ فستكون قد وصلت لمستوًى جديد من الإبداع.

في المستقبل — أو منذ زمن طويل في مجرة بعيدة جدًّا — ستتمكن الآلات من صنع آلات أخرى، والطابعات الثلاثية الأبعاد هي أول موجة من جيل جديد من الآلات سيصمِّم آلات أخرى ويصنعها ويُصلِحها ويعيد تدويرها؛ فحتى الآلات ستهيئ وستطور آلات أخرى؛ ونفسها كذلك.

في إحدى المرات، اصطحبتُ ابني لمشاهدة أحدِ أجزاء سلسلة أفلام «حرب النجوم». خلال عددٍ من المشاهد، كان العديد من سفن الفضاء والروبوتات المسلحة بالليزر ووسائل التدمير الأخرى تفجِّر أعدادًا ضخمة من الأشياء؛ أبنية ومَرْكبات وروبوتات أخرى. وأخيرًا، وبعد مشاهدة الدمار الذي لا يتوقف، تقمصتُ هيئة الناضجين وقلت لابني بصوت خفيض: «يا لها من خسارة! مجهود ضخم بذله آلاف البشر يذهب هباءً في ثوانٍ معدودة. ستستغرق إعادة بناء كل هذا شهورًا، إن لم يكن سنوات.»

لم يكن ابني يمتلك أي فكرة عما أتحدث عنه.

وقال: «لم يَبنِ البشر هذا، بل الروبوتات.»