بایوپرینت سه‌بعدی (3D Bioprinting)
بایوپرینت سه‌بعدی یک فناوری است که در آن جوهرهای زیستیِ (bioink) مخلوط با سلول‌های زنده، به‌صورت سه‌بعدی چاپ می‌شوند، تا ساختارهای سه‌بعدی زیستی بسازند. در حال حاضر، این فناوری می‌تواند در زمینه‌های مختلف تحقیقاتی مانند مهندسی بافت (tissue engineering) و توسعۀ داروهای جدید استفاده شود. بایوپرینت سه‌بعدی به‌سرعت در حال تکامل است؛ با این حال، به‌عنوان یک فناوری چاپ سه‌بعدی اختراع جدیدی نیست. اولین قدم‌ها در پرینت سه‌بعدی در دهۀ 1980 برداشته شد، زمانی‌که در سال 1984 چارلز هال (Charles Hall) یک حق اختراع برای اولین فناوری چاپ سه‌بعدی تجاری به ثبت رساند. این نمادی از تولد پرینت سه‌بعدی بوده است و پایه‌ای برای بایوپرینت سه‌بعدی نیز ایجاد کرده است. اولین بار بایوپرینت در سال 1988، زمانی‌که رابرت کلبه (Robert Kulbe) ازچاپگر جوهر افشان برای چاپ سلول‌ها استفاده کرد، مورد استفاده قرار گرفت.
جوهرهای زیستی از مواد زیستی طبیعی یا مصنوعی ساخته می‌شوند، که می‌توانند با سلول‌های زنده مخلوط شوند. این فناوری و ساختارهای بایوپرینت محققان را قادر می‌سازد تا عملکردهای بدن انسان را در شرایط آزمایشگاهی مطالعه کنند. ساختارهای چاپ‌شدۀ زیستی سه‌بعدی در مقایسه با مطالعات آزمایشگاهی انجام‌شده در ساختارهای دوبعدی، از نظر بیولوژیکی دقیق‌تر هستند. هدف از بایوپرینت سه‌بعدی ساخت بافت کاربردی در پزشکی و آزمایش دارو است. احیا و بازسازی بافت می‌تواند امکان ترمیم یا جایگزینی بافتها و اندام‌های آسیب‌دیده را فراهم کند. همان‌طور که گفته شد در پرینتساختارهای بافت، اندام یا استخوان مانند، از چاپگرهای زیستی با جوهرهای زیستی به‌عنوان مادۀپایه استفاده می‌شود. جوهرهای زیستی سه‌بعدی می‌توانند دارای سلول، بدون ساختاربندی (scaffold-free) یا بدون سلول باشند، مانند (GrowInk™)، که یک جوهر زیستی مبتنی بر هیدروژل قابل تنظیم وسلولز نانوفیبریلار و آب ساخته شده است. انتخاب ترکیب مناسب جوهر زیستی و تراکم آن می‌تواند روی زنده‌ماندن و تراکم سلولی تاثیر بگذارد. از این رو، انتخاب مناسب‌ترین جوهر برای هر هدف تحقیقاتی ضروری است. چاپگرهای سه‌بعدی و بایوپرینترهای سه‌بعدی شبیه یکدیگر هستند، اما چاپگرهای سه‌بعدی برای چاپ مواد جامد طراحی شده‌اند، درحالی‌که چاپگرهای زیستی سه‌بعدی برای چاپ مایع یا ژل مناسب می‌باشند. چاپگرهای زیستی سه‌بعدی همچنین برای بهبود مواد حساس حاوی سلول‌های زنده طراحی شده‌اند، بدون اینکه آسیب زیادی به نتیجۀ نهایی وارد شود. چاپگرهای زیستی می‌توانند مبتنی بر جوهرافشان، به کمک لیزر یا مبتنی بر اکستروژن باشند. هر نوع چاپگر مزایا و معایب خود را در مورد هزینه، زنده‌بودن سلول، تراکم سلول، وضوح و ... دارد. جوهر مورد استفاده باید پرینت‌پذیر باشد و اطمینان از کارکرد چاپگر زیستی و جوهر با هم بسیار مهم است. توسعۀ سریع فناوری را می‌توان در پیشرفت چاپ زیستی نیز مشاهده کرد. فناوری چاپ زیستی سه‌بعدی این پتانسیل را دارد که مشکلات متعددی را در زمینه‌هایی مانند مراقبت‌های آرایشی و بهداشتی حل کند. مثانه‌های کارآمدی که با استفاده از بافت چاپی زیستی از سلول‌های خود بیمار رشد کرده‌اند، قبلاً با موفقیت به بدن انسان پیوند زده شده‌اند. محققان به‌طور مداوم در مورد امکان چاپ زیستی سایر اندام‌های فعال تحقیق می‌کنند. یکی از سناریوهای آیندۀ بایوپرینت سه‌بعدی می‌تواند این باشد که به اهداکنندگان عضو بیشتری نیاز نباشد، زیرا اندام‌های انسانی شخصی‌سازی‌شده را می‌توان با استفاده از سلول‌های بنیادی خود بیمار به‌عنوان پایه چاپ کرد. این فناوری می‌تواند انقلابی در پیشگیری و رفع بیماری‌ها باشد.
ربات‌های الهام گرفته‌شده از طبیعت (Bio-inspired robots that mimic nature)
طراحان در حال ساخت ربات‌هایی هستند که از حیوانات موجود در طبیعت الهام می‌گیرند. ربات‌هابه‌عنوان دستیاران انسان در اتوماسیون‌های صنعتی ظاهر شده‌اند. این را می‌توان در ربات‌های مشارکتی (کوبات‌ها) مانند باکستر از Rethink Robotics یا کوبات‌های UR از Universal Robotsمشاهده کرد. بازوی رباتیک استاندارد جدید به صنعت کمک می‌کند، زیرا با فضاهای ما سازگاری دارند و برای فعالیت، نیازی به ایجاد تغییرات در محیط نمی‌باشد. با این حال، شکل انسان کارآمدترین شکل برای انعکاس یک ربات نیست. سانگ بای کیم (Sang Bae Kim)، رئیس رباتیک زیستی و استاد موسسه فناوری ماساچوست، می‌گوید که ربات‌های صنعتی «برای انجام وظایف کنترل موقعیت صلب و دقیق در یک مکان ثابت مناسب هستند، اما ربات‌های تولیدی برای کنترل نیرو در موقعیت‌های دینامیکی طراحی نشده‌‌اند»؛ هدف بایورباتیک طراحی ماشینی است که بتواند با محیط و موقعیت‌های پویا مانند تماس با زمین، سازگاری داشته باشد. کیم خاطر نشان می‌کند که «وقتی صحبت از ربات‌های متحرک به میان می‌آید، الگوی طراحی باید کاملاً متفاوت از ربات‌های صنعتی باشد». چندین شرکت و گروه تحقیقاتی روی ربات‌های الهام‌گرفته از زیست‌شناسی تمرکز کرده‌اند، تا ماشین‌هایی با پاسخ‌دهی سریع‌تر را ایجاد کنند که زمان کمتری برای تعامل و واکنش با محیط خود داشته باشند. در ادامه با سه نمونه از این ربات‌ها آشنا می‌شویم:
اوکتوبات از دانشگاه هاروارد (The Octobot from Harvard University)
اوکتوبات از دو لحاظ مجزا برتری دارد: اولاً این یک ربات انعطاف‌پذیر است که همۀ اجزای مکانیکی را با سیستم‌های منعطف مشابه جایگزین می‌کند و دوم اینکه مستقل است. این ربات به‌صورت سه‌بعدی پرینت شده و در آن کانال‌هایی برای کنترل قدرت و حرکت تعبیه شده است. حرکت آن از طریق کنترل‌های نیوماتیک توسط گاز هیدروژن پراکسید که سوخت مایع ربات نیز می‌باشد، تامین می‌شود. یک مدار به‌صورت یک آنالوگ انعطاف‌پذیر از یک نوسانگر الکترونیکی ساده دارد که در زمانتجزیۀ هیدروژن پراکسید به گاز و بادکردن ربات، کنترل را انجام می‌دهد. گاز از میان اندام‌ها عبور می‌کند و شبکۀ میکروسیال براساس بازخورد خارجی، اندام‌های مربوطه را خاموش می‌کند. هنگامی‌که یک اندام شروع به تخلیه می‌کند، گاز به سمت دیگری هدایت می‌شود تا ربات بتواند حرکت کند. وود از موسسه Wyss بیان می‌کند که «تحقیقات نشان می‌دهد که ما می‌توانیم به راحتی اجزای کلیدی یک ربات ساده و کاملاً منعطف را بسازیم، که پایه و اساس طرح‌های پیچیده‌تر را می‌سازد».
هگزا ، ربات شش‌پا (Hexa:The six-legged robot)
هگزا از شرکت Vincross یک ربات شش‌پای جدید است، که به کاربران امکان می‌دهد آن را از طریق تلفن هوشمند خود کنترل کنند. این ربات از حسگرهای مختلفی برای تعیین جهت خود و حرکت رویزمین استفاده می‌کند. توانایی بالارفتن از پله‌ها و تعادل در زمین‌های ناهموار را بدون نیاز به کنترل تک‌تک پاها دارد. طراحی شش پا به ربات اجازه می‌دهد تا با داشتن قابلیت تعادل بهتر در مصرف انرژی صرفه‌جویی کند. به‌گفتۀ اندی زو، مدیر اجرایی Vincross، ربات «فقط به سه پا برای ایستادن روی زمین نیاز دارد و ما می‌توانیم از سه پای دیگر برای حفظ تعادل یا بالارفتن از پله‌ها استفاده کنیم».سنسورهای ربات هگزا یک دوربین دیجیتال با دید در شب، یک شتاب‌سنج سه محوره، سنسور اندازه‌گیری فاصله و یک فرستندۀ مادون قرمز هستند. زبان برنامه‌نویسی ربات، «منبع باز» است و به چندین کاربر اجازه می‌دهد تا با ربات آزمایش کنند و با برنامه‌نویسی کدهای منبع(Source code) ،این ربات را بهبود ببخشند. Vincross امیدوار است با رشد جامعۀ کاربران خود بتواند این ربات را برای کاربردهای متنوعی از جمله کاوش در موقعیت‌های خطرناک مانند ساختمان‌های فروریخته، طراحی و عملیاتی کند.
اسنیک‌بات (The Snakebot)
محققان دانشگاه کارنگی ملون (Carnegie Mellon) سال‌هاست که ربات‌های مارمانند را برنامه‌ریزی کرده‌اند، تا آنها را وادار به خزیدن در میان آوار و موانع نمایند. الهام این ربات‌ها از مشاهده sidewinders که نوعی مارهای زنگی کوچک هستند گرفته شده است. حرکت آنها به‌صورت امواج بدن عمودی و افقی انجام می‌شود. تغییر فاز و دامنۀ این امواج به مارها این امکان را می‌دهد که به حرکت افزایش‌یافته دست یابند. این ربات برای عبور از امواج افقی و عمودی در فضای سه‌بعدی طراحی شده است. ربات 2 اینچ قطر و 37 اینچ طول دارد و از 16 مفصل تشکیل شده است. هر مفصل عمود برمفصل قبلی است و به آن امکان می‌دهد به پیکربندی‌های متعدد و شیوه راه‌رفتن‌های مختلف دست یابد. ناسا همچنین از این ربات‌های مارمانند برای امکانات اکتشاف فضایی استفاده می‌کند.
معماری پاسخگو به آب و هوا (Climate-Responsive Architecture)
زمانی بود که انسان روی شاخه‌های درخت می‌خوابید؛ سپس کلبه‌های گلی و سنگی با سقف‌های کاه‌گلی که هنوز بخشی از فرهنگ‌های بسیاری در سراسر جهان هستند، آمدند. این سازه‌ها که پایدار و مقاوم در برابر آب و هوا بودند، سپس به خانه‌های بتنی، خانه‌های شیشه‌ای و ... تبدیل شدند؛ اما بیشترِ طرح‌های ساختمان‌ها قادر به هماهنگی با تغییر اقلیم نبودند و از منابع طبیعی به‌شدت بهره‌برداری می‌کردند. این امر صنعت را بر آن داشت تا رویکرد ساخت مسکن پایدار را امتحان کند که پاسخگوی آب و هوا باشد و از منابع انرژی غیرمتعارف و مفید برای محیط زیست استفاده می‌کند.
معماریِ پاسخگو به آب و هوا برای انطباق با شرایط متغیر محیطی و بهینه‌سازی عملکرد ساختمان بر سیستم‌های مکانیکی مختلف زیر متکی است:
سیستم‌های غیر فعال (passive systems):
دستگاه‌های سایه‌انداز از عناصر متحرک مانند لوورها، سایبان‌ها یا آویزها برای جلوگیری از برخورد تشعشعات خورشیدی در ساعات اوج مصرف استفاده می‌کنند و باعث کاهش گرما می‌شوند.
در سیستم تهویۀ طبیعی، منافذ و دریچه‌ها با قرارگیری استراتژیک، اجازه می‌دهند تا جریان هوا در ساختمان جریان داشته باشد و به‌طور طبیعی فضاها بدون نیاز به سیستم‌های مکانیکی اضافه، خنک و تهویه شوند.
در روش جرم حرارتی، با استفاده از مصالح با ظرفیت حرارتی بالا (مانند بتن و آجر) به جذب و آزادسازی آهستۀ گرما و تعدیل نوسانات دما در داخل ساختمان کمک می‌شود.
سطوح دارای پوشش گیاهی به‌عنوان عایق حرارتی عمل می‌کنند؛ در نتیجه با استفاده از بام‌ها و دیوارهای سبز می‌توان گرما را کاهش داد و کیفیت هوا را بهبود بخشید.
سیستم‌های فعال (active systems):
سیستم‌های HVAC(گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) از تجهیزات مکانیکی مانند فن‌ها، کمپرسورها و مبدل‌های حرارتی برای تنظیم دما، رطوبت و کیفیت هوا استفاده می‌کنند.
در پمپ‌های حرارتی زمین گرمایی با استفاده از دمای پایدار زمین برای گرم‌کردن یا خنک‌کردن کارآمد ساختمان‌ها، مصرف سوخت‌های فسیلی به حداقل رسانده می‌شود.
در مکانیزم ساختمان هوشمند، پیاده‌سازی سیستم‌های کنترلی که به‌طور خودکار سیستم‌های مکانیکی را بر اساس داده‌های آب و هوای لحظه‌ای، سطوح اشغال و الگوهای مصرف انرژی تنظیم می‌کند، انجام می‌شود.
سیستم‌های تطبیقی (adaptive systems):
به‌وسیلۀ طراحی نماهای حساس به باد و جریان هوای محیط برای ساختمان‌ها می‌توان تنظیم پویایعناصری مانند پنجره‌ها، پرده‌ها یا لوورها را برای بهینه‌سازی بهرۀ خورشیدی، تهویه و روشنایی روز براساس تغییر شرایط آب و هوایی انجام داد.
پوسته‌های ساختمانی تطبیقی و مواد هوشمند یا حسگرهای یکپارچه به محرک‌های محیطی مانند دما، رطوبت یا باد واکنش داده و عملکرد ساختمان را مطابق نیاز تطبیق می‌دهند.
با ادغام این سیستم‌های مکانیکی، معماری پاسخگو به آب و هوا می‌تواند مصرف انرژی را به حداقل برساند، آسایش را بهینه کند و اثرات زیست‌محیطی را کاهش دهد. آیندۀ ساختمان‌های پایدار در ایجاد طرح‌های هوشمند و سازگار است که با طبیعت هماهنگ شده است و رفاه انسان را بهینه می‌کند.
علیرضا همایون‌خواه-ورودی ۱۴۰۰ مکانیک
