فهرست مطالب
پژوهشگران دانشگاه کورنل با ساخت سیستم حسگرمحور و کنترل رباتیک، آماده‌اند چاپ سه‌بعدی بتن زیر آب را در شرایط واقعی اقیانوس با کیفیت بالا و بدون دخالت غواص انجام دهند.
به گزارش سرویس رباتیک تکناک، از زمان اختراع در دهه ۱۹۸۰، فناوری چاپ سه‌بعدی به تدریج از آزمایشگاه‌ها به کارخانه‌ها، خانه‌ها و حتی ماموریت‌های فضایی راه یافته است. در پاییز ۲۰۲۴، دانشگاه کورنل موفق به ثبت یک نقطه عطف شد و پیشرفت خود در چاپ سه‌بعدی بتن زیر آب را اعلام کرد؛ دستاوردی که پتانسیل بازتعریف روش‌های ساخت و تعمیر سازه‌های زیر آب را دارد. این پروژه پس از آن کلید خورد که آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (DARPA) در اواخر ۲۰۲۴ چالشی را مطرح کرد و از تیم‌ها خواست بتنی طراحی کنند که طی یک سال بتوان چند متر زیر آب چاپ کرد.
هدف این تلاش پاسخ به نیازهای فوری مانند تعمیر کابل‌های زیر دریایی، بنادر و دیگر سازه‌های حیاتی برای پشتیبانی از ارتباطات و تجارت جهانی است. تیم دانشگاه کورنل بر این باور است که رویکرد آنها می‌تواند ضمن کاهش زمان و هزینه ساخت، تاثیرات محیط‌زیستی را نیز به حداقل برساند. پروژه دانشگاه کورنل به رهبری سریرامیا نایر، استاد دستیار مهندسی عمران و محیط‌زیست، پیش می‌رود.
گروه او به جای ساخت قطعات در خشکی و سپس انتقال آنها به محل تمرکز خود را بر چاپ مستقیم بتن در زیر آب گذاشته است. نایر می‌گوید: «هدف ما اجرای ساخت‌وساز بدون ایجاد اختلال در محیط است.» او توضیح می‌دهد: «اگر یک وسیله نقلیه زیر آب کنترل از راه دور بتواند با کمترین اختلال به محل برسد، آن‌وقت می‌توانیم به شیوه‌ای هوشمندتر بسازیم و روش‌های مرسوم زمینی را تکرار نکنیم.»
حتما بخوانید: بتن چاپ سه‌بعدی جدید تنها در سه روز به استحکام سازه‌ای می رسد
چاپ سه‌بعدی بتن زیر آب
با انتشار فراخوان DARPA، تیم نایر تصمیم گرفت بررسی کند که آیا سیستم چاپ سه‌بعدی بتن آنها قابل تطبیق برای چاپ زیر آب است یا خیر. این گروه پیش‌تر با ربات صنعتی سنگینی حدود ۶۰۰۰ پوند کار کرده بود. با اصلاح مخلوط بتن برای تحمل تماس مداوم با آب، آنها دریافتند که می‌توان بتن را زیر آب به شکل لایه‌های پایدار چاپ کرد. نایر افزود: «نتیجه این شد که با تنظیم مخلوط، قادر بودیم چاپ سه‌بعدی زیر آب را انجام دهیم و در عین حال تماس مداوم با آب را مدیریت کنیم.» یکی از چالش‌های اصلی چاپ بتن زیر آب، مشکل شسته شدن مواد است؛ زمانی که ذرات سیمان در آب جدا شده و اتصال کافی برقرار نمی‌شود، ساختار ضعیف می‌گردد. استفاده از افزودنی‌های شیمیایی می‌تواند این مشکل را کاهش دهد، اما محدودیت‌های جدیدی نیز ایجاد می‌کند.
نایر توضیح می‌دهد: «افزودن این مواد شیمیایی باعث غلظت بالای مخلوط می‌شود و امکان پمپ کردن آن کاهش می‌یابد. بنابراین باید تعادل بین قابلیت پمپ شدن و خاصیت ضدشسته شدن برقرار شود. حتی در صورت عدم شسته شدن، مخلوط باید توانایی حفظ شکل و اتصال مناسب با لایه‌های دیگر را داشته باشد؛ پارامترهای متعددی در این فرآیند دخیل هستند.» DARPA محدودیت دیگری هم ایجاد کرد: چاپ سه‌بعدی بتن باید با رسوبات کف دریا انجام شود و تنها مقدار کمی سیمان داشته باشد. این الزام با هدف کاهش حمل سیمان توسط کشتی که هم هزینه‌بر و هم از نظر لجستیکی پیچیده است، مطرح شد.
بیشتر بخوانید: بتن سبز با بازیافت ضایعات لیتیوم، آینده ساختمان‌سازی را تغییر می دهد
استفاده از کف اقیانوس
در سپتامبر ۲۰۲۵، تیم دانشگاه کورنل پیشرفت خود در رسیدن به هدف DARPA برای استفاده از رسوبات کف دریا را به مسئولان این آژانس نشان داد. نایر گفت این آزمایش ثابت کرد چاپ سه‌بعدی بتن با مواد کف اقیانوس در حال تبدیل شدن به واقعیت است. او افزود: «در حال حاضر هیچ تیمی این کار را انجام نمی‌دهد. هیچ‌کس از رسوبات کف دریا برای چاپ سه‌بعدی بتن استفاده نمی‌کند. این فرصت‌های زیادی برای بازتصور شکل و کاربرد بتن ایجاد می‌کند.»
این پروژه تخصص‌های علوم مواد، رباتیک، معماری و مهندسی عمران را گرد هم آورده است. پژوهشگران کورنل با همکارانی از دانشگاه میشیگان، دانشگاه کلارکسون و دانشگاه آریزونا همکاری می‌کنند. تیم به دو بخش طراحی مواد و ساخت تقسیم شده تا پیچیدگی سیستم به شکل موثر مدیریت شود. مرحله بعدی چالش DARPA در مارس برگزار خواهد شد و تیم‌ها باید یک قوس زیر آب را با چاپ سه‌بعدی بسازند. برای آماده‌سازی، پژوهشگران دانشگاه کورنل چندین بار در هفته قوس‌های آزمایشی را در مخازن بزرگ آب چاپ می‌کنند. این آزمایش‌ها امکان بررسی دقیق روی زمین را فراهم می‌آورد، اما شرایط واقعی اقیانوس نیازمند خودکارسازی کامل است.
برای مطالعه بیشتر: ساخت مصالح ساختمانی پایدار جایگزین بتن با کارتن و خاک
چالش‌های چاپ سه‌بعدی بتن در زیر آب
نایر بیان می‌کند: «فرض کنید بخواهید در شرایط واقعی زیر آب چاپ کنید؛ نمی‌توانیم کسی را با لباس غواصی اعزام کنیم. باید قادر باشیم موقعیت‌ها را شناسایی و مسیر ابزار را در لحظه تنظیم کنیم.» او ادامه می‌دهد: «هدف نهایی دستیابی به کیفیت چاپ بالا است، زیرا اگر مواد در جای درست قرار نگیرند، استحکام مورد نیاز حاصل نخواهد شد.» دید محدود نیز یکی دیگر از چالش‌هاست، زیرا رسوبات ریز می‌توانند آب را به سرعت کدر کنند.
نیلز ناپ، متخصص طراحی و برنامه‌ریزی دستگاه‌های مکاترونیک، می‌گوید: «رسوبات بسیار ریز هستند و به محض حرکت دادن آنها، دید صفر می‌شود. ما نمی‌دانستیم میزان کدری آب چه خواهد بود.» برای رفع این مشکل، تیم یک جعبه کنترل مجهز به حسگر طراحی کرده که با بازوی رباتیک هماهنگ شده و چاپ را بدون نیاز به غواص هدایت می‌کند. با نزدیک شدن به نمایش مارس، گروه در تلاش است مواد پیشرفته را با کنترل رباتیک یکپارچه کند و اثبات کند که چاپ سه‌بعدی زیر آب آماده ورود به کاربردهای واقعی است.
