مدت زمانی کوتاه پس از توسعه پرینترهای سه بعدی، اکنون به مفاهیم جدیدی به نام پرینترهای چهار بعدی برمیخوریم. اما چاپگرها چه هستند؟
چاپگرهای چهار بعدی در واقع همان پرینترهای سه بعدی هستند. اما این پیرینترها یا چاپگرها، قطعاتی را تولید میکنند که این قطعات پس از تولید و تحت شرایطی که از قبل برنامه ریزی شده اند، تغییر شکل میدهند.
در واقع سالهاست که امان تولید قطعات، مجموعه ها، یا ساختارهای با مواد هوشمند یا اصطلاحا” مواد قابل برنامه ریزی برای بشر بوجود آمده است. قطعات و مجموعه هایی که بواسطه جنس برخی از اجزای آن، میتوانند تحت شرایط خاصی مثل تغییر دما یا برخورد با یک سیال مثل آب تغییر شکل بدهند. بنابراین شما با یک تغییر شکل پس از تولید قطعه مواجه خواهید بود. پروفسور دنیلا روس از دانشگاه MIT می گوید: “این مواد امکان ایجاد دنیایی را به ما می دهد که نه تنها کامپیوترهای قابل برنامه ریزی بلکه مواد قابل برنامه ریزی نیز دارد.”
به یک تعریف، مواد هوشمند یا مصالح هوشمند یا Smart Material یا ساختارهای هوشمند، مجموعه (یا جزئی از مجموعه) دارای کارکرد مهندسی هستند که در آنها ساختار دارای توانایی درک و فعال‌شدن را به منظور انجام کار دارد. آلیاژهای حافظه‌دار نوعی از مواد هوشمند به شمار می‌آیند.همچنین مصالح هوشمند مصالحی هستند که با عملکردی هوشمندانه در مقابل تغییرات محیط میتوانند مانند موجودات زنده خود را با شرایط محیطی منطبق سازند. برخی از این مواد، هر نوع خدشه و خرابی در ساختار خود را پیش بینی کرده و نقایص خود را برطرف می‌سازند. یک یا چند ویژگی این مصالح مانند شکل، میزان سختی، فرکانس و رنگ آنها در یک حالت کنترل شده یا تحت اثر محرک نیروی الکتریسیته یا میدان‌های مغناطیسی به صورت قابل توجهی تغییر می‌کند. روند ،PH، خارجی مانند فشار، دما، رطوبت که بر مصالح بیولوژیکی نیز Hyper- Functional پیشرفت این مواد از مصالح سازه‌ای و عملکردی آغاز شده به سمت ساخت مصالح برتری دارند پیش می‌رود.
تعریف هوشمندی
هوشمند(intelligent)، باهوش(Smart)، حساس(Adaptive) همه برای تعریف ساختارها ومصالحی به کارمی روند که شامل حسگرها ومحرک‌ها (Actuators) بوده وتوانایی سازگاری باتحریکات خارجی مانند بارها وتحریکات محیط رادارند. مصالح هوشمند یک اصطلاح جدید برای مصالح و فر آورده‌هایی است که توانایی درک و پردازش رویدادهای محیطی را داشته و نسبت به آن واکنش مناسب نشان میدهند. به بیان دیگر این مصالح قابلیت تغییرپذیری داشته و قادرند شکل، فرم، رنگ و انرژی درونی خود را به طرز برگشتپذیر در پاسخ به تاثیرات فیزیکی و یا شیمیایی محیط اطراف تغییر دهند. اگر مصالح را به سه گروه مصالح غیر هوشمند، نیمه هوشمند و هوشمند طبقه‌بندی کنیم، گروه اول یعنی مصالح غیر هوشمند ویژگی خاص بالا را ندارند، نیمه هوشمندها تنها قادرند در پاسخ به تاثیرات محیطی شکل و فرم خود را برای یک بار یا مدت زمان اندکی تغییر دهند اما در مصالح هوشمند این تغییرات تکرارپذیر و قابل برگشت خواهد بود. معماری هوشمند پویا است؛ بدین معنا که پارامترهای عملکردی اصلی، خود را با توجه به نیاز، تقاضا و شرایط متغیر و پویا تغییر میدهند. یک معماری هوشمند همچنین مانند سامانه زنده‌ای قادر به تجربه اندوزی و استفاده از تجارب در شرایط جدید است و بااین خصیصه پویایی و حود سازماندهی سامانه تضمین می‌گردد. مصالح و فرآوردههای نوین در حال حاضر طیف وسیعی از فرآوردهها و مصالح، در دسترس قرار گرفته‌اند و یا اینکه د ر حال عرضه به بازار هستند. برخی از آنها به طور خاص برای استفاده در زمینه معماری تولید شده‌اند. مصالحی را که در ذیل به توضیح آنها می‌پردازیم، مصالح و مواد خامی هستند که دارای پتانسیل‌های خاص و کاربردی در زمینه معماری و ساخت و ساز می‌باشند. این فهرست با توجه به ویژگی‌ها، ساختار و خصوصیات درونی این مواد تهیه شده است.
مصالح بازیافتی: این مصالح اساسا از مواددست دوم و زباله‌های تمیز، تهیه می‌شوند. برای تهیه مصالح بازیافتی، قسمت‌های ارزشمند مصالح دست دوم مورد استفاده قرار می‌گیرد ولی به هر حال فرآورده حاصله معمولا کیفیت پایین‌تری نسبت به مصالح اصلی دارد. امروزه استفاده از مصالح بازیافتی با توجه به اصول معماری پایدار بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
مصالح تجزیه پذیر زیستی: ترکیبات تشکیل دهنده این مصالح به گونه‌ای است که پس از پا یان عمر و مدفون شدن در زیر خاک به طور کلی توسط جانوران میکروسکوپی موجود در خاک تجزیه می‌شوند؛ بنابراین تهدیدی برای آلودگی محیط زیست محسوب نمی‌شوند.
زیست مواد: شامل پلاستیک‌ها و مصالح دیگری است که از منابع تجدیدپذیر ساخته می‌شوند. تحقیقی که در حال حاضر بر روی این مواد بسیار مورد توجه است، استفاده از باکتری خاصی است که گازco2مصرف می‌کند و قادر به متلاشی نمودن این پلاستیک هاست.
مصالع تغییر ناپذیر: مصالحی هستند که تاثیرات فیزیکی و شیمیایی بر آنها اثر ندارد. مثالی از این نوع مصالح، آلیاژ فولاد می‌باشد.
مصالح هوشمند: این مصالح مواد و فرآورده‌هایی هستند که خاصیت تغییرپذیری دارند و قادرند مشخصه‌های ظاهری و یا درونی خود را در پاسخ به تاثیرات فیزیکی و شیمیایی به صورت برگشتپذیر تغییر دهند.
مصالح هیبرید یا پیوند ی: این مصالح با تلفیق حداقل دو ترکیب متفاوت ساخته می‌شوند. مثل تلفیق ترکیبات طبیعی و مصنوعی.
مصالح با ساختار فسیل واره:این‌ها نوعی مصالح مرکب با لایه‌های ملحق شده تدریجی می‌باشند. این مصالح نتیجه یک تغییر پیوسته در ویژگی‌های مصالح است. مثالی از این نوع مصالح نفت خام می‌باشد که از قرار گرفتن لایه‌های متعدد در طول سالیان متمادی ایجاد می‌شود.
نانو متریال (مصالح نانو): مصالحی هستند که مصالحی هستند که نقاط اشتراک زیادی با مصالح هوشمند دارند. مواد با ساختار نانو به عنوان پوشش نهایی در ساخت فرآوردهها به کار می‌روند. بهعنوان مثال در پوششهای هوشمند ضد خوردگی، تصفیه کننده هوا، تمیز کننده سطوح و پوششهای زیست فعال کاربرد دارند.
ویژگی‌های اصلی معماری هوشمند عبارتند از:
“تطبیق پذیر”
پویایی و فعال بودن؛
انعطاف‌پذیری و سازگاری با محیط؛
واکنش پذیری و پاسخ ده بودن
خصوصیات
مواد هوشمند و یا انطباق پذیر خود به دو گونه هوشمند و نیمه هوشمند قابل تقسیم می‌باشند. در مواد هوشمند در برابر محرک‌های فیزیکی یا شیمیایی تغییرات بازگشت پذیر فیزیکی و شیمیایی ایجاد می‌شود. این تغییرات در مواد کاملاً هوشمند به صورت نامتناهی بازگشت پذیر است. در صورتی که مواد نیمه هوشمند توانایی محدودی در تعداد دفعات تغییرات دارند، یک محرک می‌تواند چند تغییر در ماده ایجاد نماید و یا چند محرک مختلف میتوانند موجب تغییر خاصی در ماده گردند. محرک‌های عمده عبارتند از: تغییر محیط شیمیایی، میدان مغناطیسی و الکتریکی، فشار، حرارت، نور و اشعه ماورا بنفش. تغییرات حاصل، بازده وسیعی را پوشش می‌دهد. برخی از این تغییرات عبارتند از:
تغییر شکل، ابعاد، سطح و بافت به صورت همگن یا موضعی.
تغییر در جریان الکتریکی و تولید جریان الکتریسیته که به عنوان مثال در کفسازی امکان پر رفت‌وآمد برای تولید جریان برق استفاده می‌شود.
تغییر رنگ و شفافیت که در ایجاد محرمیت و بستن فضا کاربرد دارد.
تغییر نوفه و کنترل نوفه مزاحم
تولید بوی خوش بر اثر تحریکات خارجی
قابلیت اصلاح، ترمیم، تقویت و خود تمیز کنندگی که امروزه کاربرد وسیعی در آسمان خراش‌ها یافته‌اند.
قابلیت جذب یا انتشار نوعی مولکول، اتم یا ماده‌ای خاص که در سه حالت ماده که به ویژه برای کاهش آلودگی محیط و تولید مواد مطلوب و ضروری مانند تصفیه هوا و یا آب کاربرد دارد.
امکان تبادل انرژی مانند مواد تغییر فاز دهنده که در پوسته بنا برای کنترل دمای محیط داخلی کاربرد دارند و این مواد حرارت را از محیط گرفته و با تغییر فاز به حالت مایع یا گاز، آن را به صورت نهان در خود ذخیره میکنند و در هنگام کاهش دمای محیط با تغییر فاز مجدد، حرارت را به محیط بازپس میدهند.[۹]
متغیرهای تاثیرگذار شیمیایی و فیزیکی که در زیر معرفی شده‌اند، محرک‌هایی هستند که مصالح هوشمند در برابر آنها از خود عکس العمل نشان میدهند:
نور، اشعهUV :بخش فرابنفش و مرئی اشعه الکترومغناطیسی.
دما:تغییرات دمایی که یک سیستم فیزیکی مثل بدن انسان ایجاد می‌نماید.
فشار:اختلاف فشار ایجاد شده در یک ناحیه.
میدان الکتریکی:میدان ایجاد شده پیرامون یک بار الکتریکی.
میدان مغناطیسی:میدان ایجاد شده پیرامون یک آهن‌ربا یا یک بار الکتریکی متحرک.
محیط شیمیایی:حضور یک عنصر یا ترکیب شیمیایی خاص مثل آب.
طبقه‌بندی مصالح هوشمند
به طور کلی مصالح ساختمانی موجود اعم از سنتی، طبیعی و مصنوعی با توجه به خصوصیات آنها، از جمله: نمود ظاهری، بافت، ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی و فیزیکی، اثر محیطی و … طبقه‌بندی می‌شوند. اما در طبقه‌بندی مصالح هوشمند علاوه بر در نظر داشتن مشخصه‌های فوق، خواص دیگری که به طور ویژه به تمیز دادن مصالح هوشمند از مصالح سنتی مربوط می‌شود نیز لحاظ شده است. طبقه‌بندی پیشنهادی مصالح هوشمند بر پایه خواص زیر ارائه شده‌اند:
مصالح هوشمند دارای قابلیت تغییر خواص درونی
مصالح هوشمند تغییر شکل دهنده/ مصالح هوشمند تغییر رنگ دهنده/ مصالح هوشمند تغییر پیوند دهنده
مصالح هوشمند دارای قابلیت مبادله انرژی
مصالح هوشمند ساطع کننده نور/ مصالح هوشمند تولید کننده الکتریسیته/ مصالح هوشمند ذخیره کننده انرژی
مصالح هوشمند دارای قابلیت تغییر و مبادله مواد درونی
مصالح هوشمند تغییر شکل دهنده: این گروه از مصا لح هوشمند که دارای قابلیت تغییر خواص درونی خود هستند در پاسخ به محرکات خارجی تغییراتی در شکل و ابعاد خود ایجاد میکنند پرکاربردترین آنها می‌توان به مصالح هوشمند دما واکنشی Thermostrictive پیزوالکتریک اثر فشاربرقی الکترو واکنشی Electroactive و شیمی واکنشیChemostrictive اشاره نمود.
مصالح هوشمند دما واکنشی:این نوع از مصالح هوشمند نوعی ویژگی ذاتی دارند که آنها را قادر می‌سازد تا در برابر تغییرات دمای محیط پیرامون به طور برگشتپذیر واکنش نشان دهند تغییرات دمایی ممکن است تاثیر غیر فعال داشته باشد به طوری که مصالح به طور مداوم وضعیت دمای داخلی خود را با وضعیت طبیعی پیرامونش از طریق پوسته بیرونی تنظیم کند و اگر تاثیرات آن به صورت فعال باشد نوعی گرمایش فعال با بکار بردن یک میدان الکتریکی از طریق تماس ایجاد می‌شود. مصالح منبسط شونده Thermal Expansion نمونه‌ای از مصالح دما واکنشی هستند.
انواع مصالح هوشمند
مصالح هوشمند از نظر کارکرد به انواع زیر تقسیم می‌شوند:
مواد کروموژنیک
مواد پیزوالکتریک
آلیاژهای دارای حافظه
.MR و مگنتاهستاتیک ER مصالح الکتروهوستاتیک
مصالح هیبرید یا پیوندی
مصالح با ساختار فسیل واره
مصالح کروموژنیک
بنابراین استفاده چاپگرهای سه بعدی خاص از مواد هوشمند و قابل برنامه ریزی، منجر به ایجاد مفهومی به نام چاپگرهای چهار بعدی شده است. چاپگر هایی که قطعاتی را تولید میکنند که با گذشت زمان در اثر تغییرات دمایی یا شمیایی یا دیگر عوامل برنامه ریزی شده، تغییر شکل میدهند.
