از فناوری چه خبر

کاربردهای صنعتی آلیاژهای حافظه‌دار

در سال 1970، اولین نمایش موفقیت‌آمیز کوپلینگ لوله کرایوفیت آلیاژ حافظه‌دار در یک هواپیمای جنگنده اف-14نیروی دریایی ایالات متحده انجام شد. کاربردهای عمده این آلیاژها در زمینه پزشکی و ارتودنسی و چند حوزه مهم دیگر مانند فریم عینک، آنتن تلفن همراه و دستگاه‌های خودرو است.

در طول چند دهۀ گذشته پیشرفت در علم مواد با کشف خواص مواد جدید تعیین شد. امروزه آلیاژهای حافظه دار به‌صورت تجاری در چندین زمینه فنی مانند خودرو، هوافضا و پزشکی استفاده می‌شوند و می‌توانند با موفقیت به‌عنوان محرک یا اتصال دهنده در دستگاه‌های الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند.

اثر حافظه‌ای شکل در برخی از آلیاژهای خاص ظاهر می‌شود که یک تبدیل مارتنزیتی قابل برگشت، ترموالاستیک و کریستالوگرافی را نشان می‌دهد و به توانایی بازیابی کرنش‌های بزرگ پس از تغییر شکل ظاهری پلاستیک، تنها با تغییر دما (اثر یک طرفه) اشاره دارد. اگر این اثر بازیابی بخواهد دائماً استفاده شود، باید یک نیروی خارجی برای بازنشانی عنصر به حالت کرنشی خود اعمال شود.

آلیاژهای حافظه ‌دار وقتی با یک عملیات ترمومکانیکی خاص ارائه می‌شوند، یک اثر دو طرفه ذاتی ایجاد می‌کنند، به این معنی که شکل بین دو فرم صرفاً در نتیجه تغییر دما و بدون اعمال تنش‌های خارجی تغییر می‌کند.

از همان ابتدا هزاران حق ثبت اختراع برای هر برنامه قابل تصوری برای آلیاژهای حافظه ‌دار صادر شده است، با این حال لیست دستگاه‌های واقعاً موفق تجاری بسیار کوچک است. به‌دلیل ارزش کسب و کار، توجه به دستگاه‌های پزشکی معطوف شده است، البته مصرف مواد آلیاژی حافظه ‌دار در بخش‌های مصرفی و صنعتی بسیار فراتر از استفاده در زمینۀ پزشکی است و فهرست کاربردهای تجاری با سرعتی زیاد در حال افزایش است.

مواد حافظه ‌دار به‌دلیل خواص غیرمعمولشان مانند اثر حافظه‌ای شکل، شبه الاستیسیته یا ضربه بزرگ قابل بازیافت (کرنش)، ظرفیت میرایی بالا و خواص تطبیقی، یکی از عناصر اصلی کامپوزیت‌های هوشمند ​​هستند که ناشی از انتقال فاز (برگشت پذیر) در مواد است. مواد حافظه‌ دار ممکن است محرک‌های حرارتی، مکانیکی، مغناطیسی یا الکتریکی را حس کنند و تحریک یا برخی از پاسخ‌های از پیش تعیین شده را نشان دهند، که تنظیم برخی از پارامترهای فنی مانند شکل، موقعیت، کرنش، سفتی، فرکانس طبیعی، میرایی، اصطکاک و سایر پارامترهای ایستا و دینامیکی را ممکن می‌سازد. ویژگی‌های سیستم‌های مواد در پاسخ به تغییرات محیطی بیانگر این است که این مواد کرنش‌های بسیار بزرگ و قابل بازیافت (در حدود 10%) را نشان می‌دهند، و این ویژگی‌ها تابع دما و تنش است که به مواد حافظه ‌دار اجازه می‌دهد در بسیاری از کاربردهای هیجان‌انگیز و نوآورانه مورد استفاده قرار گیرد. از دیدگاه ماکروسکوپی، رفتار مکانیکی مواد حافظه ‌دار را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: دستۀ اثر حافظه ‌دار، که در آن کرنش باقی‌مانده (ظاهراً پلاستیکی) بزرگ را می‌توان با افزایش دما پس از چرخۀ بارگیری و تخلیه به‌طور کامل بازیابی کرد. و دستۀ دوم شبه الاستیسیته یا فوق الاستیسیته، که در آن یک کرنش بسیار بزرگ (ظاهراً پلاستیکی) پس از بارگیری و تخلیه در دمای ثابت به‌طور کامل بازیابی می‌شود.

آلیاژهای نیکل-تیتانیوم مفیدترین آلیاژهای حافظه ‌دار هستند. سایر آلیاژهای حافظه دار عبارتند از آلیاژهای مس-آلومینیوم-نیکل، مس-روی-آلومینیوم و آلیاژهای آهن-منگنز-سیلیکون. نام عمومی خانواده آلیاژهای نیکل-تیتانیوم، نیتینول است.

برنامه‌های کاربردی زیادی برای مواد حافظه ‌دار وجود دارد. کاربردهای آینده شامل موتور خودروها و هواپیماها و ژنراتورهای الکتریکی با استفاده از انرژی مکانیکی ناشی از تغییر شکل است. نیتینول با خاصیت حافظه دار خود برای استفاده در فریم خودروها نیز پیش بینی شده است.کاربردهای احتمالی خودرو با استفاده از فنرها شامل خنک‌کننده موتور، کنترل‌های کاربراتور و روغن‌کاری موتور، کنترل پرده رادیاتور (برای کاهش جریان هوا از طریق رادیاتور در هنگام راه‌اندازی، زمانی که موتور سرد است و در نتیجه کاهش مصرف سوخت) و گازهای خروجی اگزوز است. تحقیقات در حال حاضر در بسیاری از بخش‌های رباتیک و بخش‌های علم مواد انجام می‌شود. کاربردهای گسترده آلیاژهای حافظه دار آینده روشنی را برای این فلزات تضمین می‌کند.

پیشرانه یونی: آینده اکتشافات فضایی و فناوری ماهواره

پیمودن مسافت‌های وسیع در فضا همیشه یک چالش بوده است. موشک‌های شیمیایی سنتی، اگرچه برای سفرهای درون منظومه شمسی کاربردی هستند، به‌دلیل فواصل بسیار زیاد، برای سفرهای بین ستاره‌ای عملی نیستند. برای اینکه چشم اندازی بهتر پیدا کنید، نزدیک‌ترین ستاره به ما (غیر از خورشید)، پروکسیما قنطورس، حدود 4.24 سال نوری از ما فاصله دارد. حتی در سرعت نور، رسیدن به آن بیش از چهار سال طول می‌کشد، اما فناوری موشکی فعلی ما تنها با کسری از این سرعت حرکت می‌کند. به گفته ناسا، با فناوری پیشرانه امروزی، رسیدن به پروکسیما قنطورس تقریباً 73000 سال طول می‌کشد.

نه تنها مسافت‌های بسیار زیاد مشکل ایجاد می‌کند، بلکه سوخت و انرژی مورد نیاز برای به حرکت درآوردن فضاپیماها در این فواصل نیز یک مانع مهم است. در زمینه فناوری‌های پیشرانه فعلی، هر چه سفر طولانی‌تر باشد، به سوخت بیشتری نیاز خواهیم داشت، اما هرچه سوخت بیشتری حمل کنیم، جرم بیشتری برای پیشران داریم. این یک نوع پارادوکس را ایجاد می‌کند که اغلب از آن به عنوان "استبداد معادله موشک" یاد می‌شود. در نتیجه، سیستم‌های پیشرانه جدیدی برای غلبه بر این مشکلات، با هدف بهبود راندمان، کاهش جرم سوخت و در نهایت امکان سفر دورتر و سریع‌تر از قبل در فضا، در حال تحقیق و توسعه هستند.

پیشرانه یونی که اغلب به‌عنوان نیروی محرکه الکتریکی شناخته می‌شود، یک سیستم محرکه است که از ذرات باردار (معمولاً یون‌ها) برای ایجاد نیروی رانش استفاده می‌کند. برخلاف موشک‌های شیمیایی سنتی که سوخت را برای تولید گازهای خروجی با سرعت بالا می‌سوزانند، رانش یونی بر اساس اصول الکترومغناطیسی برای شتاب دادن یون‌ها به سرعت‌های بالا و بیرون راندن آنها با سرعت‌های زیاد انجام می‌شود. با بیرون راندن این ذرات یونیزه شده از فضاپیما، نیروی رانش را در جهت مخالف ایجاد می‌کنند. منابع انرژی برای رانشگرهای یونی معمولاً پنل‌های خورشیدی الکتریکی هستند، هرچند به‌کارگیری انرژی هسته‌ای در مناطق دور از خورشید ضروری می‌شود.

متداول‌ترین محرک مورد استفاده در پیشرانه یونی، زنون است که به راحتی یونیزه می‌شود و جرم اتمی بالایی دارد، بنابراین در هنگام شتاب یون‌ها، سطح رانش مطلوبی ایجاد می‌کند؛ همچنین زنون بی‌اثر است و چگالی ذخیره سازی بالایی دارد. بنابراین، برای ذخیره در فضاپیما مناسب است. در اکثر رانشگرهای یونی، الکترون‌ها با کاتد توخالی تخلیه، توسط فرآیندی به نام گسیل ترمیونی تولید می‌شوند.

رانشگرهای یونی برای طیف گسترده‌ای از ماموریت‌ها، از ایستگاه نگهداری برای ماهواره‌های ارتباطی گرفته تا سفرهای بین سیاره ای، سازگار هستند. ناسا حتی در سناریوهایی که پیشران‌های شیمیایی سنتی نمی‌توانند نیروی پیشرانه لازم را فراهم کنند، ماموریت رانش یونی را فعال می‌کند. این فناوری نوید سفرهای رفت و برگشت به مریخ بدون سوخت‌گیری، با استفاده از زباله‌های فضایی بازیافت شده به عنوان سوخت را می‌دهد.

رانشگرهای یونی با یونیزه کردن محرک از طریق فرآیندی به نام بمباران الکترونی عمل می‌کنند. الکترون‌های پرانرژی با اتم‌های پیشران برخورد، الکترون‌ها را از اتم‌ها آزاد و در نتیجه یون‌هایی با بار مثبت ایجاد می‌کنند. این گاز یونیزه شده که به پلاسما معروف است و برخی از خواص گاز را دارد تحت تاثیر میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی قرار می‌گیرد. در رانشگرهای یونی، یون‌های مثبت به سمت شبکه‌های حاوی هزاران دیافراگم دقیق‌ تراز شده شتاب می‌گیرند. این یون‌ها از بین شبکه‌ها عبور می‌کنند و تا سرعت بالایی شتاب می‌گیرند و در نهایت به‌صورت یک پرتو یونی خارج می‌شوند و نیروی رانش ایجاد می‌کنند. برای حفظ خنثی بودن فضاپیما، یک خنثی‌کننده که در واقع یک کاتد توخالی دیگر است، تعداد مساوی الکترون را دفع می‌کند و اطمینان حاصل می‌کند که پرتو اگزوز دارای بار خنثی است.

مزایای پیشرانه یونی بسیار زیاد است که در اینجا به چند مورد از آن‌ها اشاره شده است:

· بالاترین ضربه خاص: موتورهای یونی با تکانه‌های خاص، بیش از 3000 ثانیه صرفه‌جویی در جرم قابل توجه را ارائه می‌دهند.

· عملکرد بالا با پیچیدگی کم: پیشرانه‌های یونی به دلیل عملکرد بالا با وجود طراحی نسبتاً ساده خود شناخته شده‌اند.

· کاهش جرم واحد پردازش نیرو: سیستم‌های پیشران یونی به واحدهای پردازش توان کوچک‌تر و سبک‌تر نیاز دارند.

· واگرایی پرتو باریک: رانشگرهای یونی واگرایی پرتو باریکی دارند که دقت آنها را افزایش می‌دهد.

· محدوده دریچه گاز بزرگ: سیستم‌های پیشران یونی می‌توانند با نیروی الکتریکی موجود سازگار شوند.

· پتانسیل رشد بالا: سیستم‌های محرکه یونی می‌توانند با افزایش توان الکتریکی افزایش یابند.

با وجود مزایای فراوان، رانشگرهای یونی دارای محدودیت‌هایی هستند. این رانشگرها سطوح رانش نسبتاً پایینی را تولید می‌کنند که آنها را برای پرتاب فضاپیما از طریق جو زمین نامناسب می‌کند. آنها همچنین فقط در خلاء فضا، عملی هستند زیرا موتورهای یونی نمی‌توانند خارج از محیطِ بدون یونِ فضا کار کنند. علاوه بر این، رانش کوچک ایجاد شده توسط رانشگرهای یونی در هنگام مواجهه با مقاومت اتمسفر در هنگام پرتاب، ناچیز است.

در نتیجه، پیشرانه یونی نشان دهنده یک فناوری تحول آفرین در اکتشاف فضا و فناوری ماهواره‌ای است. کارایی، تطبیق‌پذیری و مصرف سوخت این فناوری، آن را به انتخابی قانع کننده برای طیف وسیعی از ماموریت‌ها تبدیل کرده است.

ویژگی‌های گفته شده، آن را به گزینه ای امیدوارکننده برای ماموریت‌های آینده به مریخ و عطارد، توسعه ماهواره‌های نظامی، ایجاد هواپیماهای فضایی و حتی استفاده بالقوه در سیستم‌های تبدیل کرده است. همان‌طور که ما همچنان مرزهای اکتشاف فضا و فناوری ماهواره‌ای را پیش می‌بریم، بدون شک پیشرانه یونی نقشی اساسی در شکل‌دهی مجدد درک ما از کیهان و نحوه تعامل ما با آن خواهد داشت. آینده سفرهای فضایی و فناوری ماهواره‌ای، الکتریکی است و نیروی محرکه یونی پیشرو است.

پیشرفت در جراحی رباتیک

جراحی رباتیک، یک پیشرفت پیشگامانه در فناوری پزشکی، چشم انداز روش‌های جراحی را دوباره تعریف کرده است. بسیاری از مزایای مورد بحث در این زمینه شامل بهبود نتایج بیمار، کاهش عوارض، زمان بهبودی سریع‌تر، مقرون به‌صرفه بودن و افزایش تجارب جراح است. این چشم انداز، چشم انداز مراقبت‌های بهداشتی را نشان می‌دهد که در آن جراحی رباتیک به‌طور فزاینده‌ای حیاتی است، پزشکی شخصی سازی شده را قادر می‌سازد و دقت جراحی را بالا می‌برد. با این حال، چالش‌هایی مانند هزینه، آموزش جراح، مسائل فنی، ملاحظات اخلاقی و پذیرش بیمار همچنان وجود دارند. در نتیجه، جراحی رباتیک آماده است تا به شکل‌دهی آینده مراقبت‌های بهداشتی ادامه دهد و علاوه بر اینکه بر اهمیت همکاری، نوآوری و حکومت اخلاقی تاکید می‌کند، فرصت‌های تحول‌آفرین را ارائه می‌دهد.

جراحی رباتیک که به عنوان جراحی با کمک ربات نیز شناخته می‌شود، به یک تکنیک جراحی کمتر تهاجمی اشاره دارد که در آن از سیستم‌های رباتیک تخصصی برای کمک به جراحان در انجام روش‌ها با دقت و کنترل بی‌نظیر استفاده می‌شود. این سیستم‌ها از بازوهای رباتیک مجهز به ابزار جراحی، کنسول جراحی که توسط جراح کار می‌کند و یک سیستم بینایی با وضوح بالا که نمای سه‌بعدی بزرگ‌نمایی شده‌ای از محل جراحی ارائه می‌کند، تشکیل شده‌اند. جراحی رباتیک از جراحی باز سنتی و لاپاراسکوپی معمولی متمایز است، زیرا مهارت‌های جراح را با فناوری رباتیک ترکیب می‌کند تا کیفیت و ایمنی روش‌ها را افزایش دهد.

اهمیت پیشرفت در جراحی رباتیک را نمی‌توان نادیده گرفت. این پیشرفت‌ها باعث بهبود نتایج بیمار، کاهش عوارض، اقامت کوتاه‌تر در بیمارستان و افزایش دقت جراحی شده است. علاوه بر این، آنها درها را به روی امکانات جدیدی مانند جراحی از راه دور، پزشکی شخصی و ادغام هوش مصنوعی باز کرده‌اند. پتانسیل دموکراتیک کردن تخصص جراحی، بهبود دسترسی به مراقبت‌های بهداشتی، و بازتعریف مرزهای قابل دستیابی در جراحی، بر اهمیت همگام ماندن با آخرین نوآوری‌های جراحی رباتیک تاکید می‌کند.

سیستم داوینچی دارای چندین بازوی رباتیک با ابزار جراحی است. این بازوها دقیقاً حرکات دست جراح را تقلید می‌کنند و دامنه حرکتی عالی‌تری نسبت به ابزارهای لاپاراسکوپی سنتی ارائه می‌دهند. جراحان، بازوهای رباتیک را از یک کنسول جراحی در اتاق عمل کنترل می‌کنند. این کنسول یک نمای سه بعدی از میدان جراحی و کنترل‌های دستی ارائه می‌دهد که به جراح اجازه می‌دهد ابزار را به طور دقیق دستکاری کند. دوربین‌های با وضوح بالا بر روی بازوهای رباتیک نمای دقیقی از محل جراحی ارائه می‌دهند. سیستم داوینچی در تخصص‌های مختلف جراحی، از جمله اورولوژی، زنان، جراحی عمومی و جراحی قلب به‌کار گرفته شده است. موفقیت این سیستم به توانایی آن در افزایش دقت جراحی، کاهش تهاجمی و تسریع بهبودی بیمار نسبت داده می‌شود.

در ادامه با اجزاء و ویژگی‌های کلیدی جراحی رباتیک آشنا می‌شویم:

بازوهای رباتیک: آنها اکستنشن‌های مکانیکی سیستم‌های جراحی رباتیک هستند که حرکات دست جراح را با دقت قابل توجهی تکرار می‌کنند. این بازوها مجهز به ابزارهای جراحی هستند و می‌توانند به فضاهای تنگ در بدن دسترسی داشته باشند، که آنها را برای اعمال پیچیده ضروری می‌کند. مفصل بندی و مهارت بازوهای رباتیک، جراح را قادر می‌سازد تا بافت‌ها را دستکاری کرده و وظایف را با دقت انجام دهد.

کنسول جراحی: مرکز فرماندهی است و جراح برای کنترل بازوهای رباتیک در حین عمل پشت آن می‌نشیند. این شامل کنترل‌های دستی و پدال‌های پا است که به جراح اجازه می‌دهد ابزار را با ظرافت و دقت دستکاری کند. بازوهای رباتیک درون بدن بیمار، حرکات جراح را به اقدامات دقیق تبدیل می‌کند. این کنسول همچنین یک نمای سه بعدی از محل جراحی را از طریق صفحه نمایش با وضوح بالا ارائه می‌دهد، که تجسم را بهبود می‌بخشد و جراح را قادر می‌سازد تا تصمیمات آگاهانه در طول عمل بگیرد.

سیستم بینایی: این یک جزء حیاتی از سیستم‌های جراحی رباتیک است که تجسم سه بعدی با وضوح بالا از میدان جراحی را ارائه می‌دهد. این سیستم به جراحان دید بزرگ‌نمایی و دقیقی از محل عمل می‌دهد که برای انجام مانورهای ظریف و برش‌های دقیق ضروری است. وضوح بازخورد بصری، جراحان را قادر می‌سازد تا ساختارهای تشریحی پیچیده را هدایت کنند و با اطمینان دقت جراحی را افزایش دهند.

ابزارهای جراحی رباتیک به‌طور ویژه طراحی شده‌اند تا دامنه حرکتی دست انسان را تکرار کنند و در عین حال هرگونه لرزش یا حرکات ناخواسته را فیلتر کنند. این ابزارها برای انجام کارهای مختلف جراحی از جمله بخیه زدن، تشریح، کوتریزاسیون و برش حیاتی هستند. آنها در طول عمل قابل تعویض هستند و امکان تطبیق پذیری و سازگاری با نیازهای خاص هر جراحی را فراهم می‌کنند. ابزار دقیق و پیشرفته به دقت و اثربخشی کلی جراحی رباتیک کمک می‌کند.

در نتیجه، جراحی رباتیک گواهی بر نوآوری انسان و پیگیری بی‌وقفه در مراقبت‌های بهداشتی است. جراحی رباتیک، در پزشکی مدرن نقش حیاتی داشته و با دقت، کاهش عوارض و زمان بهبودی سریع‌تر، بر مراقبت از بیمار تاثیر عمیقی گذاشته است.

نویسنده: علیرضا همایون خواه