كيف يُحدث الذكاء الاصطناعي والطباعة ثلاثية الأبعاد ثورةً في تصميم المواد

تخيل بناء جسر، ليس من الخرسانة والفولاذ، بل من مادة اصطناعية جديدة كليًا مُصنّعة من مزيج فريد من جزيئات البروتين، شبيه بتلك المستخدمة في إنتاج خيوط العنكبوت. أو صنع غرسة طبية من مواد حيوية قادرة على الشفاء الذاتي والتجدد.

تُحدث ابتكارات التكنولوجيا والعلوم ثورةً في عالم تصميم المواد. ولكن كيف يُبدع المهندسون هذه المواد الجديدة ذات الوظائف الفائقة؟ يلعب الذكاء الاصطناعي دورًا رئيسيًا في هذه العملية.

تتضمن الطريقة التقليدية لتصميم المواد عادةً دراسة خصائص المواد على المستوى الكلي. ولكن في السنوات الأخيرة، ظهرت موجة أكثر تطورًا في تصميم المواد، وتشمل تصنيع المواد على المستوى النانوي. يُمكّن هذا النموذج الجديد في الهندسة العلماء والمهندسين من تصميم فئة جديدة من المواد، أقوى وأخف وزنًا وأكثر مرونة وأقل تكلفة في التصنيع.

يُستخدم التعلم الآلي والنمذجة التنبؤية، وهما فرعان قويان من الذكاء الاصطناعي، لتسريع اكتشاف هذه المواد الجديدة. يُدخل المصممون ببساطة الخصائص المطلوبة في برنامج، وتتنبأ الخوارزميات بالوحدات الكيميائية الأساسية التي يمكن دمجها على مستوى مجهري لإنشاء بنية ذات وظائف وخصائص مطلوبة.

يقول ماركوس بويلر، أستاذ الهندسة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، ومُدرِّس دورة التعليم المهني في المعهد بعنوان “تصميم المواد التنبؤية متعددة المقاييس”: “نستخدم رؤىً من الفيزياء والكيمياء ونُطبِّقها على ميكانيكا الكم. ما نفعله بالذكاء الاصطناعي هو تمكين أجهزة الكمبيوتر من إعادة اكتشاف العلاقات بين المتغيرات، بالعودة إلى ما قبل اكتشاف نيوتن للجاذبية”.

يقول بويلر: “يمكننا إنشاء العلاقات بين المتغيرات، ثم سؤال نظام الذكاء الاصطناعي: كيف سيكون أداء هذا التصميم؟ ماذا لو جعلت الجزيئات أطول أو أقصر، أو أضفتُ كيمياء مختلفة؟ سيُخبرنا الكمبيوتر ما إذا كان الأداء سيكون أفضل أم أسوأ. يستغرق الأمر بضعة ميكروثانية فقط لإجراء تكرار واحد، بينما قد تستغرق الطريقة التقليدية أيامًا أو أسابيع”.

بمعنى آخر، يُصنّع المهندسون موادًا باستخدام وحدات بناء بسيطة، ويجمعونها بطريقة تسمح بتطوير مواد أكبر حجمًا بنفس الخصائص عالية الأداء. ويُمكّن الذكاء الاصطناعي أجهزة الكمبيوتر من حل المشكلات في وقتٍ قصيرٍ جدًا مقارنةً بالوقت الذي يستغرقه المهندسون في حلها يدويًا.

يمكن للعلماء تركيب واختبار آلاف المواد في وقتٍ واحد. ولكن حتى بهذه السرعة، ستكون تجربة كل تركيبة ممكنة دون تفكير مضيعةً للوقت. وهنا يأتي دور الطباعة ثلاثية الأبعاد وغيرها من أساليب التصنيع المتقدمة. تُساهم الطباعة ثلاثية الأبعاد في الابتكار في مجال علوم المواد، إذ تُمكّن المهندسين والمصممين من اختبار مواد جديدة. وباستخدام التصنيع الإضافي الحديث وغيره من التقنيات التجريبية، يُمكن للمصممين وضع هذه المواد الجديدة عمدًا في نقطةٍ مُحددةٍ في الفضاء لبناء أي هيكلٍ مُحدد، والتحقق من صحة النتيجة أو استبعادها. في كل مرة يحدث ذلك، يُمكن إرسال المزيد من البيانات إلى الخوارزمية، مما يجعلها أكثر ذكاءً بمرور الوقت.

يُبشر مستقبل الذكاء الاصطناعي في المواد المتقدمة والتصميم والهندسة بالخير. يتفق الخبراء على أنه سيشكل حجر الزاوية للابتكار المستقبلي في جميع الصناعات تقريبًا. لكن التحديات لا تزال قائمة، وأهمها: الحاجة إلى التدريب. لتحقيق الإمكانات الكاملة للذكاء الاصطناعي في علوم المواد، يجب على المهندسين والباحثين والعلماء التعرّف على أحدث الأدوات والتقنيات التي ستُحدث بلا شك تحولًا في الصناعة، وربما تُسهم في ابتكار المادة العجيبة القادمة.