فهرست مطالب
پژوهشگران آزمایشگاه علوم کامپیوتر و هوش مصنوعی MIT موفق به تولید یک زیپ سهوجهی با نام Y-Zipper شدهاند که میتواند ساختارهای نرم و انعطافپذیر چاپ سهبعدی را ظرف چند ثانیه به سازههایی سخت، مقاوم و تحملکننده بار تبدیل کند.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، این مکانیزم قادر است به سرعت تیرهای سازهای، قوسها، اندامهای رباتیک و چارچوبهای تاشونده را شکل دهد؛ قابلیتی که میتواند مسیر توسعه رباتهای تطبیقپذیر، پناهگاههای سریعالاستقرار و تجهیزات پزشکی بازپیکربندیشونده را هموار کند.
برخلاف زیپهای متداول که تنها دو سطح تخت را در فضای دوبعدی به یکدیگر متصل میکنند، مکانیزم Y-Zipper سه بازوی انعطافپذیر را در قالب یک لوله مثلثی سهبعدی به هم قفل میکند. زمانی که زیپ باز است، ساختار رفتاری شبیه نوارهای پلاستیکی نرم یا شاخکهای انعطافپذیر دارد و هر بازو میتواند به صورت مستقل خم یا پیچیده شود. اما با حرکت یک لغزنده اختصاصی و بسته شدن زیپ، بازوها در هم قفل میشود و ساختاری سخت و تیرمانند ایجاد میکنند که توان تحمل بار را دارد.
ایده اصلی زیپ سهوجهی Y-Zipper از کجا آمد؟
ریشه این ایده به سال ۱۹۸۵ بازمیگردد؛ زمانی که «ویلیام فریمن»، استاد MIT، مفهوم یک زیپ مثلثی را برای مونتاژ سریع سازههایی مانند چادرها، مبلمان و کانتینرها مطرح کرد. با وجود این، محدودیتهای فناوری تولید در آن دوره، اجرای عملی این طرح را غیرممکن کرده بود. فریمن این ایده را ثبت اختراع کرد با این امید که فناوری ساخت در آینده به سطح موردنیاز برسد. اکنون، نزدیک به چهار دهه بعد، پیشرفت چاپگرهای سهبعدی و ابزارهای طراحی محاسباتی امکان احیای این مفهوم را فراهم کرده است.
همچنین تیم MIT، نرمافزاری توسعه داده است که امکان تنظیم رفتار مکانیزم Y-Zipper پس از مونتاژ را فراهم میکند. بسته به طراحی بازوها، ساختار نهایی میتواند به شکل میلههای مستقیم، قوسها، مارپیچها یا فرمهای پیچخورده شبیه پیچ درآید. تمامی اجزای این سامانه از سه بازوی اصلی گرفته تا لغزنده، به طور کامل با چاپ سهبعدی و استفاده از پلیمرهای متداول تولید شدهاند.
بیشتر بخوانید: این ربات مسیر خود را فقط با حس لامسه پیدا می کند
اصل مهندسی حاکم بر این سامانه در ظاهر ساده اما از نظر سازهای بسیار موثر است؛ مثلثها ساختارهایی پایدار و سخت محسوب میشوند. مهندسی سازه طی دههها از هندسه مثلثی در پلها، جرثقیلها، برجها و خرپاها استفاده کرده است، چرا که این فرم در مقایسه با ساختارهای تخت یا مستطیلی، مقاومت بسیار بیشتری در برابر تغییر شکل دارد. زیپ سهوجهی Y-Zipper نیز دقیقا از همین اصل بهره میبرد؛ به این صورت که هنگام بسته شدن، سه بازوی انعطافپذیر را در قالب یک ساختار مثلثی قفل میکند و در نتیجه، یک تیر سبک اما مقاوم را به صورت لحظهای شکل میدهد.
این قابلیت جابهجایی میان حالت نرم و سخت، بهویژه در حوزه رباتیک و سامانههای تاشونده اهمیت بالایی دارد. مهندسان سالها است با چالش ترکیب انعطافپذیری و استحکام سازهای در یک مکانیزم واحد مواجه هستند. سیستمهای رباتیک نرم، سازگاری بالایی با محیطهای غیرقابلپیشبینی دارند، اما معمولا از نظر تحمل بار و استحکام محدود هستند؛ در مقابل، سامانههای سخت، پایداری بالاتری ارائه میدهند اما انعطافپذیری کمی دارند. طراحی MIT تلاشی برای ادغام این دو ویژگی متضاد در یک معماری واحد محسوب میشود.
برای مطالعه بیشتر: انتقال حس حرکت بین انسانها با فناوری اسکلتهای بیرونی
پژوهشگران در یکی از نمونههای آزمایشی، یک ربات چهارپا را به نمایش گذاشتند که پاهای آن با استفاده از موتور و مکانیزم زیپ قادر به تغییر ارتفاع و میزان سختی بودند. چنین قابلیتی میتواند به رباتها امکان دهد در زمینهای ناهموار با تنظیم پویا و لحظهای هندسه اندامها، عملکرد حرکتی بهتری داشته باشند. همچنین تیم تحقیقاتی، عملکرد سامانه را در سازههای تاشونده آزمایش کرد. در یکی از نمایشها، مکانیزم Y-Zipper برای مونتاژ سریع سازهای شبیه چادر بهکار گرفته شد؛ جایی که مکانیزم سهوجهی همزمان نقش چارچوب سازهای و سامانه اتصال را ایفا میکرد. به گفته پژوهشگران، زمان راهاندازی این ساختار از حدود شش دقیقه به تنها یک دقیقه و ۲۰ ثانیه کاهش یافت، چرا که مکانیزم زیپ، سازه را به سرعت در موقعیت نهایی قفل میکند.
کاربردهای این فناوری
کاربردهای پزشکی نیز به عنوان یکی از حوزههای بالقوه استفاده از این فناوری مطرح شدهاند. پژوهشگران نمونه اولیهای از یک گچ مچ دست توسعه دادهاند که زیپ سهوجهی Y-Zipper را در ساختار خود ادغام میکند؛ طراحی که به کاربر اجازه میدهد در طول روز برای افزایش راحتی، گچ را شل کند و در زمان نیاز، بهویژه هنگام شب، دوباره آن را برای ایجاد پشتیبانی بیشتر سفت نماید. با وجود این، دامنه کاربرد این سامانه فراتر از حوزههای مهندسی است و میتواند در هنر و طراحی نیز برای ساخت سازههای پویا و متحرک مورد استفاده قرار گیرد. یکی از نمونههای نمایشی، ساختاری شبیه گل مکانیکی بود که با حرکت موتور و بسته شدن تدریجی زیپ، حالتی مشابه «شکوفا شدن» پیدا میکرد. آزمایشهای دوام نشان دادند که این مکانیزم پیش از بروز خرابی قادر به تحمل حدود ۱۸ هزار چرخه باز و بسته شدن است. به گفته محققان، رفتار کشسان سازه باعث توزیع تنش در سراسر مجموعه میشود و از تمرکز فشار در یک نقطه جلوگیری میکند؛ موضوعی که نقش مهمی در افزایش طول عمر سیستم دارد.
مرتبط: نمایش سگهای رباتیک با چهره ماسک و زاکربرگ خبرساز شدند
تیم تحقیقاتی نسخههای مختلف این سازه را با استفاده از دو ماده رایج چاپ سهبعدی، یعنی پلیلاکتیک اسید (PLA) و پلییورتان ترموپلاستیک (TPU) ارزیابی کرد. نتایج نشان داد که PLA در تحمل بارهای سنگین عملکرد بهتری دارد، در حالی که TPU انعطافپذیری بیشتری ارائه میکند. پژوهشگران معتقد هستند که نسخههای آینده میتوانند با استفاده از مواد مقاومتری مانند فلز تولید شوند و در مقیاسهای بسیار بزرگتر توسعه پیدا کنند. همچنین به کاربردهای بالقوه فضایی این فناوری اشاره شده است؛ از جمله استفاده در سازههای بازشونده فضاپیماها و سامانههای رباتیکی که در مأموریتهای اکتشافی قادر به جمعآوری نمونههای سنگی باشند.
