هياكل شطائِر متعددة الطبقات مُلهمة من الطبيعة ومُصنّعة بالتصنيع الإضافي بتكوينات قلبية متباينة تحت ضغط خارج المستوى

لماذا تهم حماية الاصطدامات المستلهمة من الطبيعة

من ممتصات الصدمات في السيارات إلى كبائن الطائرات، تعتمد العديد من المركبات الحديثة على ألواح “شطائِر” مخفية يجب أن تكون خفيفة الوزن لكنها قادرة على امتصاص قوى هائلة أثناء الاصطدام. تستكشف هذه الدراسة فئة جديدة من هذه الألواح مستوحاة من الكأس الخشنة الواقية حول حبّات البلوط. من خلال تقليد ذلك الشكل الطبيعي بالطباعة ثلاثية الأبعاد وضبط النمط الداخلي بعناية، يبيّن الباحثون كيفية بناء هياكل بلاستيكية خفيفة، قابلة لإعادة التدوير، وأكثر فعالية بشكل كبير في تخميد الصدمات.

التعلم من شجرة البلوط

النقطة الانطلاقية هي كأس البلوط، الغلاف القشري المتقشّر الذي يحتضن حبّة البلوط عند سقوطها. في الطبيعة، ينشر هذا الغلاف قوى الصدمة عبر شبكة من الجدران الرفيعة والتجاويف. حوّل الفريق هذه الفكرة إلى ألواح صناعية مبنية كشطائِر: لوحتان خارجيّتان مسطحتان وصلبتان مع قلب مفرغ منقوش بينهما. بدلًا من الرغوة، يتكون القلب من العديد من الأشكال الخلوية الصغيرة المكدّسة في عدة طبقات. اختيرت هذه الأشكال لمحاكاة أنماط موجودة في الطبيعة وللاختبار أيّها يتعامل مع قوى السحق بأكثر الطرق انسيابية.

بناء قلوب معقدة بالطباعة ثلاثية الأبعاد

لتحويل هذه التصاميم إلى قطع حقيقية، استخدم الباحثون عملية طباعة ثلاثية الأبعاد قائمة على البودرة تُسمّى الطباعة متعددة النفثات (Multi Jet Fusion)، واعتمدوا بلاستيكًا هندسيًّا متينًا معروفًا باسم نايلون PA12. تسمح هذه الطريقة بإنتاج أنماط داخلية دقيقة دون لصق أو براغي، فتخرج اللوحات والقلب كقطعة واحدة. طبع الفريق ألواحًا متعددة الطبقات ذات قلوب اتبعت أربعة تخطيطات أساسية: خلويا المربعات المعينية (المعينية)، والسداسية، والمربعة، والدائرية. وغيّروا أيضًا حجم كل خلية، ومساحة الفجوة بين الخلايا المجاورة، وما إذا كانت الطبقات المموجهة متراصفة في نفس الاتجاه أم مُدوّرة من طبقة لأخرى.

اختبارات السحق وما تكشفه

ثم عُصِرت الألواح ببطء بين لوحين فولاذيين مسطّحين مع قياس القوة والإزاحة. تحاكي هذه الاختبارات ما يحدث عندما تُضغط حائط أو أرضية في مركبة من الخارج أثناء تصادم. في البداية، تستجيب كل لوحة استجابة مرنة، فتعود إلى شكلها عند إزالة القوة. مع تزايد الحمل، تبدأ الجدران الداخلية الرفيعة بالانحناء والانبعاج والتشقق، وتدخل اللوحة مرحلة «هضبة» طويلة حيث تواصل امتصاص الطاقة أثناء انهيارها. من خلال تتبع منحنى القوة والمنطقة تحته، حسب الفريق كلًا من الطاقة الإجمالية الممتصة والطاقة الممتصة لكل غرام من المادة، وهو مقياس أساسي لتصميمات حساسة الوزن.

أي الأشكال تؤدي الأداء الأفضل

برزت الأنماط المعينية والسداسية. امتصّت ألواح ذات قلوب معينية نحو 440 جول مع أعلى طاقة لكل غرام، بينما حلت القلوب السداسية قريبة من ذلك. توفر جدرانها المائلة أو الوجوه المتعددة مسارات عديدة لتدفق القوى، مما يشجع على طيٍّ سلس خطوة بخطوة بدلًا من فشل مفاجئ. امتصّت القلوب المربعة والدائرية طاقة أقل بكثير، جزئيًا لأن الزوايا الحادة أو الجدران المنحنية بالكامل تركّز الإجهاد وتُثير انهيارًا محليًا مبكرًا. تقليل حجم كل خلية، مع الحفاظ على حجم اللوحة الكلي ثابتًا، رفع القوة القصوى والطاقة الممتصة لكل من القلوب الدائرية والسداسية. كما أن زيادة الفجوة بين الخلايا بشكل معتدل أجّلت تداخل جدران الخلايا المجاورة ووسّعت مرحلة الانهيار الرطبة.

طبقات تعمل معًا

تؤدي طريقة تكديس الطبقات دورًا رئيسيًا أيضًا. عندما كانت جميع المموجات موجهة في نفس الاتجاه، انهارت العديد من جدران الخلايا دفعة واحدة، مما أدى إلى انخفاضات أكثر حدة في الحمولة. أدى تدوير كل طبقة بالنسبة للأخرى إلى نشر عدم الاستقرار عبر سمك اللوحة. أجبرت هذه المتدرجة القوى على إعادة التوزيع من طبقة إلى أخرى وزادت الاحتكاك والانزلاق بينها. في القلوب الدائرية والسداسية على حد سواء، عزّز النمط المتبادل امتصاص الطاقة الكلي بحوالي خُمس ورفع الطاقة لكل غرام بأكثر من عشرة بالمئة. قدّمت القلوب السداسية ذات الخلايا الصغيرة والتباعد الأوسع والطبقات المتبادلة الأداء الأكثر توازنًا، جامعًة بين قوة قصوى عالية وتخميد فعّال للغاية من حيث الكتلة.

ماذا يعني هذا لهياكل أكثر أمانًا وأخف وزنًا

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الأساسية أن النمط الداخلي وترتيب الطبقات داخل اللوحة يمكن أن يكونا مهمين تمامًا مثل كمية المادة المستخدمة. من خلال استعارة أشكال من كأس حبّة البلوط وتصنيعها بالطباعة ثلاثية الأبعاد، يظهر الفريق أن الخلايا المشكّلة والمكدّسة بذكاء يمكن أن تحول ورقة بلاستيكية خفيفة إلى ممتص صدمات عالي الكفاءة. قد تساعد مثل هذه الألواح السيارات والقطارات والطائرات المستقبلية على حماية الأشخاص بشكل أفضل مع الحفاظ على استهلاك وقود ونفايات مادية أقل.

الاستشهاد: Taghizadeh, S., Cheng, L., Askari, M. et al. Additively manufactured bioinspired multilayer sandwich structures with varied core configurations under out-of-plane compression. Sci Rep 16, 15833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41021-4

الكلمات المفتاحية: هياكل مُستلهمة من الطبيعة, ألواح شطائِر, امتصاص الطاقة, التصنيع الإضافي, قابلية التحمل للاصطدام