تطوير هيكل فائق التشوه مدفوع بالضوء من سبائك ذاكرة الشكل في معهد KAIST الكوري

أخبار ar.wedoany.com، أعلن المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST، برئاسة باي تشونغ-شيك) في 20 يوليو أن فريقًا بحثيًا بقيادة البروفيسور إيل-كوان أوه (Il-Kwon Oh) من قسم الهندسة الميكانيكية قد طور هيكلًا فائق التشوه مدفوعًا بالحرارة الضوئية. استخدم الفريق عملية ليزر فوق بنفسجي واحدة لتحويل صفيحة مسطحة من سبيكة ذاكرة الشكل من النيكل والتيتانيوم (SMA) من سطح مستوٍ إلى شكل ثلاثي الأبعاد تحت تأثير الضوء.

تتطلب الأجهزة القابلة للارتداء من الجيل التالي والروبوتات اللينة أن تكون خفيفة الوزن ورقيقة، مع القدرة على تغيير شكلها عند الحاجة. تُعتبر هذه التقنيات أساسًا لشاشات العرض الشكلية، والأسطح المتكيفة، والواجهات القابلة للارتداء، والروبوتات اللينة. صمم الفريق البحثي أنماط قطع وطي دقيقة على صفيحة معدنية مسطحة، مما مكنها من التحول إلى أشكال ثلاثية الأبعاد محددة مسبقًا، مستندًا في تصميمه إلى فن قص الورق (كيريغامي).

سبيكة ذاكرة الشكل هي معدن خاص يعود إلى شكله المحدد مسبقًا عند تسخينه إلى درجة حرارة معينة، حتى بعد تشوهه. ونظرًا لخفة وزنها وقدرتها على توليد قوى كبيرة، تُستخدم هذه السبائك على نطاق واسع كمواد رئيسية في المشغلات للروبوتات اللينة والأجهزة القابلة للارتداء. ومع ذلك، تواجه مشغلات سبائك ذاكرة الشكل الحرارية الضوئية التقليدية قيدًا: وهو أن سطح سبيكة النيكل والتيتانيوم (NiTi) لا يمتص الأشعة تحت الحمراء القريبة بشكل فعال. ولتعويض هذا النقص، غالبًا ما يُطلب طلاء طبقة ماصة للضوء بشكل منفصل، مثل أكسيد الجرافين، أو مركبات البوليمر، أو أغشية نيتريد التيتانيوم (TiN). قد تتقشر هذه الطلاءات الخارجية أثناء التشغيل المتكرر، وتتطلب معالجة إضافية، وقد تزيد من السعة الحرارية مما يبطئ سرعة الاستجابة، مما يفرض قيودًا على كل من قابلية التصنيع وأداء المشغل.

ولمعالجة هذه المشكلة، استخدم الفريق البحثي تقنية المعالجة الدقيقة بالليزر فوق البنفسجي لتشكيل هياكل كيريغامي على صفائح رقيقة من سبيكة ذاكرة الشكل (SMA)، مع توليد طبقة مسامية دقيقة/نانوية من أكسيد التيتانيوم (TiOₓ) على السطح من خلال الأكسدة المستحثة بالليزر. ونتيجة لذلك، زاد امتصاص الأشعة تحت الحمراء القريبة بشكل ملحوظ دون الحاجة إلى أي طبقة خارجية منفصلة. كما حقق الفريق منصة تمكن من التحكم الدقيق في ارتفاع التشوه ثلاثي الأبعاد وقوة الخرج الناتجة عن طريق ضبط المعلمات الهيكلية مثل عرض المفصلة وعرض الشق. يتمثل جوهر البحث في برمجة كل من طريقة التشوه الميكانيكي للهيكل وكفاءة امتصاص الضوء في هيكل معدني واحد في وقت واحد.

علاوة على ذلك، طبق الفريق تقنية نمذجة للتحكم المكاني في درجة الأكسدة المستحثة بالليزر. يمكن للمناطق المختلفة أن تتشوه بسرعات متفاوتة على التوالي تحت نفس شدة الضوء الموحدة. وصف الباحثون ذلك بأنه "تحكم في الدفع الزمكاني"، مما يعني أن ترتيب وتوقيت التشوه يتم ترميزهما مباشرة في المادة نفسها من خلال خصائص امتصاص الضوء، دون الحاجة إلى أي تحكم إلكتروني منفصل.

قام الفريق البحثي أيضًا بدمج الهيكل الفائق لسبائك ذاكرة الشكل الحرارية الضوئية مع مصفوفة متعددة القنوات من مصابيح LED للأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، لتوسيع نطاقه ليشمل شاشات عرض شكلية ثلاثية الأبعاد وواجهات لمسية. تتحرك كل وحدة كيريغامي من سبيكة SMA بشكل مستقل وفقًا للضوء المطبق بشكل انتقائي. بناءً على ذلك، نجح الفريق في عرض تسلسل الحروف K→A→I→S→T، وتحقيق إشارات ملاحية لمسية لتوجيه الاتجاه.

صرح البروفيسور إيل-كوان أوه بأن تقنية البرمجة بالليزر هذه هي منصة صديقة للتصنيع، تمكن من ترميز كل من التشوه الميكانيكي والخصائص البصرية في هيكل معدني واحد دون الحاجة إلى أي عملية طلاء منفصلة. يمكن تطبيق هذه التقنية على نطاق واسع في الأسطح المتكيفة، والواجهات اللمسية التفاعلية، والروبوتات اللينة الحرارية الضوئية، وغيرها من واجهات التشوه الذكية التي يتم التحكم فيها بالضوء من الجيل التالي. الطالب في مرحلة الماجستير بقسم الهندسة الميكانيكية، هيونسو كيم (Hyunsoo Kim)، هو المؤلف الأول، والبروفيسور إيل-كوان أوه هو المؤلف المراسل. نُشرت نتائج البحث في المجلة الدولية "Advanced Science"، وتم اختيارها لتكون الغلاف الداخلي الخلفي للعدد رقم 31 من المجلد 13 الصادر في 4 يونيو 2026.