صندوق الأدوات

الطباعة ثلاثية الأبعاد داخل المختبرات

في ظل تراجع كُلفة الطابعات ثلاثية الأبعاد، بدأ الباحثون في استخدامها في تصنيع كل شيء، بدءًا من المعدات المصمَّمة حسب الطلب لأغراض التجارب، وانتهاءً بالنماذج الحقيقية للأعضاء البشرية. 

أندرو سيلفر
  • Published online:

ILLUSTRATION BY THE PROJECT TWINS

يُجْرِي فالنتاين أنانيكوف، الكيميائي بمعهد زيلينسكي للكيمياء العضوية في موسكو، تفاعلات كيميائية غاية في الدقة، لدرجة أن أثرًا ضئيلًا فحسب من الجسيمات النانوية الفلزية، لا يتعدى حجمه جرثومة بكتيرية واحدة، قد يتسبب في تغيير نتائج أبحاثه. ولذا، عندما ينتهي مختبر أنانيكوف من تجربة ما، يتعين إجراء تنظيف صارم للمختبر، أو على الأقل هكذا كانت تَجرِي الأمور. وعليه، بدأ أنانيكوف في عام 2016 صنع أوعية للتفاعلات الكيميائية، يتم استخدامها مرة واحدة، ثم يتم التخلص منها، معتمِدًا في ذلك على تقنية استحوذت على خيال المولعين بفكرة تنفيذ الأشياء ذاتيًّا، وكذلك خيال المهندسين والعلماء على حد سواء؛ ألا وهي «الطباعة ثلاثية الأبعاد».

في الطباعة ثلاثية الأبعاد، التي تُعرف كذلك باسم «التصنيع بالإضافة»، يجري تحويل نموذج حاسوبي ثلاثي الأبعاد إلى مجسم مادي، وذلك بإضافة طبقة تلو الأخرى، في عملية تشبه تغطية الكعك بطبقات الزينة. يَستخدم فريق أنانيكوف هذه التقنية لصنع مفاعلات كيميائية، مصممة حسب الطلب، في غضون أيام، بدلًا من انتظار تصنيعها وشحنها من أحد المورِّدين الخارجيين في عملية تستغرق أسابيع، وربما أكثر. الأهم من ذلك، أن تكلفة البلاستيك المستخدَم في الطباعة ثلاثية الأبعاد منخفضة للغاية، وهو ما يمكِّن الفريق من التعامل مع المعدات باعتبارها مواد استهلاكية قابلة للاستعمال مرة واحدة، ومن ثم يمكن التخلص منها، دون حاجة إلى إجراء تنظيف. يقول أنانيكوف: "لقد صارت الطباعة ثلاثية الأبعاد الآن نوعًا من الأدوات المعتادة لدى مختبرات الأبحاث التي تتعامل مع مشروعات متعددة التخصصات".

شهدت الطابعات ثلاثية الأبعاد إقبالًا واسعًا على اقتنائها بين أعضاء "ثقافة الصنَّاع"، وذلك لأغراض تعليمية، ولإنتاج أشياء مبتكرة؛ إلا أن استعمال هذه الطابعات كأدوات قياسية  في المختبرات العلمية تتزايد وتيرته بالمثل، إذ يمكن للباحثين الاستعانة بهذه الطابعات لإحلال الأجزاء المكسورة في الأجهزة، وصنع حاملات للعينات، مُعَدَّة حسب الطلب، إلى جانب تصنيع نماذج مجسَّمة لكل شيء، بدءًا من الجزيئات الحيوية، وانتهاءً بالصخور النفطية. وإضافة إلى ذلك، يمكن للأطباء الإكلينيكيين استخدام هذه الطابعات لصناعة الطعوم، والنماذج التعليمية.

يمكن طباعة المجسمات ثلاثية الأبعاد باستخدام تقنيات عديدة، غير أن واحدة من التقنيات الأوسع انتشارًا، هي تقنية التصنيع بالخيوط المنصهرة (FFF)، التي يُطلق عليها أيضًا «النمذجة بالترسيب المنصهر». وفي الطابعات المعتمِدة على التصنيع بالخيوط المنصهرة ، يُسخَّن خيط رفيع ملون – عادةً ما يكون سلكًا بلاستيكيًّا – ويُدفع خارجًا؛ ليكوِّن شكلًا عن طريق إضافة طبقة واحدة في المرة. وفي المقابل، تَستخدِم تقنية الطباعة الحجرية الفراغية - وهي تقنية ظهرت قبلها - خزانًا من الراتنج السائل المُنشَّط بالضوء، الذي يتحول إلى أشكال صلبة مُفصلة باستخدام الليزر. وطابعات التصنيع بالخيوط المنصهرة عادًة ما تُنتِج مجسمات أقل تفصيلًا من الطابعات الحجرية الفراغية، ولكنها أسهل استخدامًا، وأقل تكلفةً.

يتراوح سعر طابعات التصنيع بالخيوط المنصهرة المتاحة بشكل تجاري بين مئات الدولارات، وآلاف الدولارات. وبوسع الباحثين بناء المكونات المادية للطابعة بأنفسهم، مستعينِين بالتجهيزات أو التصاميم التي يتيحها مشروع «ريب راب» RepRap مفتوح المصدر، مقابل بضع مئات من الدولارات.

إن الطباعة ثلاثية الأبعاد ليست شيئًا جديدًا؛ فالطابعات التي تعمل بتقنية الطباعة الحجرية الفراغية موجودة منذ ثمانينيات القرن العشرين، بيد أن تراجع الأسعار جعل هذه التكنولوجيا متاحة على نطاق واسع. وفيما يلي نستعرض أربعة أساليب، استغل الباحثون من خلالها تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

تصنيع المعدات في الميدان

يعمل جوليان ستيرلينج، الفيزيائي بجامعة باث بالمملكة المتحدة، ضمن فريق نجح في تصميم مجاهر ضوئية، يمكن تصنيعها من مكونات بلاسيتيكية مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. تهدف الفكرة إلى تصنيع هذه المجاهر ميدانيًّا في تنزانيا، واستعمالها في تشخيص حالات الملاريا، من خلال البحث عن الطفيليات في الدم. يقول ستيرلينج إن تنزانيا تعاني نقصًا في المعرفة الميكانيكية، وكذلك في المكونات المتاحة محليًّا؛ لإصلاح المعدات العلمية، وإن استيراد هذه المكونات قد يكون مكلفًا، وقد يستغرق وقتًا طويلًا. إن إنتاج هذه المكونات بالطباعة ثلاثية الأبعاد سيمكِّن الأطباء والعلماء المحليين من إصلاح مجاهرهم بشكل أسرع، وبتكلفة أقل. ويتابع ستيرلينج قائلًا إن إحدى الشركات المحلية في تنزانيا تقوم بإنتاج طابعات التصنيع بالخيوط المنصهرة من النفايات الإلكترونية وغيرها من المواد المتاحة محليًّا.

تتيح مواقع عديدة على شبكة الإنترنت - من بينها موقع «ثينجيفيرس» Thingiverse، وموقع «ماي ميني فاكتوري» MyMiniFactory - منتديات يستطيع العلماء من خلالها تبادل النماذج الحاسوبية الخاصة بالمكونات القابلة للطباعة؛ بيد أن ستيرلينج يرى - من واقع خبرته - أن النماذج المتاحة على هذه المواقع غالبًا ما تكون منقوصة، حيث إنها تفتقر إما إلى توثيق لمشروع معين، أو إلى ملفات رئيسة تلزم لإجراء تعديلات على التصميمات. ولهذا، يقوم فريق ستيرلينج بتصنيع نماذجه من الصفر باستخدام لغة برمجة مفتوحة المصدر، تُدعى «أوبن سكاد» OpenSCAD، وهو ما يسمح لهم بإنتاج مجاهرهم بالكامل عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد، باستثناء الكاميرا، والمحركات، والعدسات.

يشير ستيرلينج إلى سهولة ارتكاب الأخطاء عند التعامل مع الطباعة ثلاثية الأبعاد، ولكن بفضل سرعة هذه التقنية، وانخفاض تكلفتها، تَسْهُل إعادة بناء التصميمات لأكثر من مرة. يقول  ستيرلينج: "إن هذه الخبرة لا يمكن تنميتها، إلا من خلال المحاولة والخطأ".

أدرك ستيرلينج بالممارسة أن ثمة فرقًا كبيرًا بين استخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد داخل المختبرات، واستخدامها في ميدان العمل؛ فإنتاج الخيوط البلاستيكية بالطباعة ثلاثية الأبعاد في مناخ تنزانيا الرطب عادًة ما تكون أصعب من طباعتها تحت ظروف المناخ المحكوم في المختبرات؛ ذلك أن الرطوبة تؤثر على الخيوط البلاستيكية، مما يؤدي إلى فشل عدد أكبر من النماذج التي تتم طباعتها. فضلًا عن أن انقطاع التيار الكهربي يُعَد أمرًا مألوفًا في تنزانيا، ولا يتمكن إلا عدد قليل من الطابعات من مواصلة طباعة مجسمات غير مكتملة عقب عودة التيار. وبالنسبة إلى المناخ، ليس بوسع ستيرلينج وفريقه فعل الكثير حياله، ولكنهم في المقابل يحرصون على استخدام وحدات للإمداد المتواصل للطاقة؛ لضمان اكتمال عملية الطباعة، وذلك حسب قول ستيرلينج.

أعضاء شبيهة بالأعضاء الحية

يستعين أحمد غازي، جرّاح المسالك البولية في المركز الطبي التابع لجامعة روتشستر بنيويورك، بالطباعة ثلاثية الأبعاد؛ لتصنيع أعضاء بشرية غير وظيفية، يمكن للجرّاحين استخدامها في التدرُّب على الجراحة التي يتم إجراؤها بمساعدة الروبوتات. فعندما يتعلق الأمر بالعمليات الجراحية البسيطة نسبيًّا، كعملية استئصال الطحال مثلًا، تكون الحاجة إلى مثل هذه التدريبات ضئيلة؛ إلا أن العمليات الأكثر تعقيدًا، مثل عمليات استئصال الأورام، قد يتفاوت الأمر فيها تفاوتًا شاسعًا من مريض إلى آخر. يقول غازي: "الأورام لا يمكن التعامل معها اعتمادًا على المَراجع العلمية فقط".

يبدأ غازي عمله بمسح أنسجة المريض بالتصوير المقطعي الحاسوبي ثلاثي الأبعاد، ثم يقوم بإدخال هذه البيانات في برنامج «ميميكس» Mimics - وهو برنامج للنمذجة الطبية، متاح بشكل تجاري، وأنتجته شركة «ماتيريالايز» Materialise في مدينة لوفين البلجيكية – وكذلك في برنامج «مِشميكسر» Meshmixer، وهو برنامج مجاني، أنتجته شركة «أوتوديسك» Autodesk في سان رافاييل بكاليفورنيا، لإنشاء النماذج ثلاثية الأبعاد. يطبع غازي بعدها تلك النماذج في شكل قوالب بلاستيكية مجوفة، مستخدِمًا طابعة تصنيع بالخيوط المنصهرة، ثم يدمج نماذج للأوعية الدموية، يتم توصيلها بمضخة دم غير حقيقية، ويحقن القالب بهلام مائي. وهذا الهلام يتصلب، ويحوِّل القالب إلى مجسم بدرجة صلابة مشابهة لدرجة صلابة الأعضاء البشرية. تحاكي الهياكل الناتجة عن هذه العملية الأعضاء الحقيقية بالقدر الكاف الذي يتيح للجرّاحين التدرُّب على إجراءت عملياتهم الجراحية مع مشاهدة آثار واقعية لهذه الإجراءات، بما في ذلك نزف الدم.

يقول غازي إنه يستعمل هو وفريقه هذه النماذج فيما يصل إلى أربع حالات جراحية أسبوعيًّا، ويصنعون لكل حالة نسختين من النماذج، ويختارون منهما النسخة ذات المحاكاة الأدق. الأكثر من هذا، أن غازي وفريقه يدرِّبون غيرهم من الأطباء على تطبيق هذه التقنية في مجالات معينة، مثل جراحات القلب والكبد. يقول غازي: "إن هذه التقنية تكتسب شعبية متزايدة بكل تأكيد".

ولا يخلو الأمر من مواطن القصور؛ فالقوالب التي تنتجها طابعات التصنيع بالخيوط المنصهرة غالبًا ما يتخللها أخاديد وثقوب دقيقة، كما يقول غازي. هذه العيوب تكون - في الغالب - متناهية الصغر فتعجز العين المجردة عن ملاحظتها، إلا أنها تكون واضحة تمامًا للكاميرا الروبوتية، الأمر الذي قد يؤثر على تجربة الجرّاحين. يرى غازي أن حل هذه المشكلة يكمن في بسط طبقة من الشمع، بدرجة حرارة الغرفة، على السطح الداخلي للقالب؛ لملء هذه الأخاديد والثقوب، وبالتالي تسوية سطح المنتَج النهائي، وصقله. يقول غازي: "إن تلك الحلول البسيطة تُحدِث فارقًا".

نُسَخ صخرية

يرى مهدي أستاذحسن، مهندس البترول بجامعة داكوتا الشمالية بمدينة جراند فوركس، أن الطباعة ثلاثية الأبعاد قادرة على تحسين عملية استخراج النفط والغاز من الصخور.

يطبع أستاذحسن "الصخور" باستخدام برامج معينة، مثل برنامج «أوبن سكاد»، وبرنامج «أوتوكاد» AutoCAD للتصميمات الحاسوبية ثلاثية الأبعاد، الذي تتيحه تجاريًّا شركة «أوتوديسك»، إلى جانب مجموعة متنوعة من الطابعات ثلاثية الأبعاد، والمواد. تتسم تلك النماذج الصخرية بخواص فيزيائية واقعية، بما فيها المسام الدقيقة المتقنة. ويعرض أستاذحسن هذه النماذج لضغط مادي؛ للتوصُّل إلى فهم أفضل لكيفية تدفق السوائل خلال بنية الصخور الحقيقية المقابلة لهذه النماذج.

ولتشكيل صخور أقرب ما يمكن لأنْ تكون صخورًا واقعية، يستخدم أستاذحسن مجموعة واسعة من أساليب الطباعة، من بينها تقنية نفث المواد الرابطة، التي فيها تُضاف مادة رابطة سائلة، طبقة تلو الأخرى، إلى مسحوق الجص، أو رمال السيليكا. تُنتِج هذه العملية مجسمات، لها خواص ميكانيكية تحاكي بدقةٍ الخواص المميِّزة للصخور الحقيقية، إلا أن أستاذحسن يقول إن المسحوق غير المترابط قد يعلق بالمسام أيضًا، الأمر الذي يقلل من جودة المنتج النهائي. وفي بعض التجارب يحتاج أستاذحسن إلى إجراء معالجة طاردة للماء؛ للحصول على الدرجة المضبوطة من "الترطيب". وتقدم طابعات التجسيم بالطباعة الحجرية الفراغية أداءً أفضل فيما يتعلق بطباعة صخور لها مسام متقنة، مما يساعد على دراسة خواص تدفق السوائل؛ بيد أن النماذج التي تنتجها هذه الطابعات ليست بمتانة الصخور المطبوعة باستخدام طابعات نفث المواد الرابطة.

لهذا، يتعاون أستاذحسن مع باحثين آخرين في محاولة لتطوير طابعة مصممة حسب الطلب، قادرة على محاكاة تلك المسام والشقوق، وقادرة، في الوقت ذاته، على إنتاج نماذج تتمتع بقوة ميكانيكية مماثِلة لقوة الصخور الحقيقية.

معادن ثقيلة

بإمكان الطابعات  ثلاثية الأبعاد المتوفرة حاليًّا إنتاج مجموعة متنوعة من المواد، ولكنْ ليس جميع أنواع المواد. يقول يانج يانج، المدير التنفيذي لشركة «يونيميكر» UniMaker في مدينة شينتزن الصينية، وهي شركة متخصصة في صناعة الطابعات ثلاثية الأبعاد المُعَدَّة للأغراض العلمية: "إن المواد المتاحة للاستخدام في الطباعة ثلاثية الأبعاد محدودة للغاية"، لكن ثمة جهود بحثية مكثفة تُبذَل في هذا المجال، ولذلك، فالتغيير وشيك. أحد أحدث المجالات التي تشهد نموًا حثيثًا هو مجال الطباعة الحيوية المستخدَمة في تصنيع مواد بيولوجية بنيوية. تقول تشين-يي وانج، العالمة المتخصصة في الطب الحيوي بجامعة شنجهاي جياو تونج في الصين، إن جامعتها اقتنت إحدى تلك الطابعات؛ لاستعمالها في قاعات الدراسة. تقوم هذه الطابعات الحيوية بمزج الخلايا والهلام المائي معًا؛ لتشكيل تراكيب، مثل نماذج العظام والأورام.

ويقول يانج إن هناك مجالًا آخر يشهد نموًا؛ ألا وهو مجال المعادن. تستخدم الطابعات القادرة على إنتاج نماذج معدنية حزمة من الإلكترونات أو شعاع الليزر لصهر المساحيق المعدنية بأنماط محددة. ويدرس جيريمي بورهيل، وهو فيزيائي يُجرِي أبحاثًا على المادة المظلمة بجامعة غرب أستراليا في مدينة بيرث، إمكانية استخدام طابعات المعادن ثلاثية الأبعاد، المعتمِدة على الليزر في بناء شبكة من النيوبيوم فائق التوصيل. يقول بورهيل إن هذه الشبكة يمكن استخدامها لحجب المجالات المغناطيسية القوية التي قد تتداخل مع عملية رصد المادة المظلمة.

إن الاستعانة بالماكينات التقليدية لإنشاء هذه الشبكة قد يتطلب استخدام مواد تشحيم سامة، وقد يؤدي إلى إهدار كمية كبيرة من النيوبيوم باهظ الثمن. ولهذا السبب، يستخدم فريق بورهيل حِزَمًا من أشعة الليزر عالي القدرة؛ لصهر مقاطع عرضية من المسحوق المعدني، ودمجها معًا، إلا أن هذه العملية تستلزم كميات كبيرة من الطاقة، نظرًا إلى أن النيوبيوم ينصهر عند درجة 2500 مئوية تقريبًا. يقول بورهيل "إن النيوبيوم شديد الصلابة حقًّا".

فيما مضى، كان الباحثون من أمثال بورهيل يعانون من محدودية الخيارات المتاحة أمامهم، ولكنْ - حسب قول يوشينج شي، مهندس المواد بجامعة هواتشونج للعلوم والتكنولوجيا بمدينة ووهان الصينية – حدث تحوُّل جذري في ضوء توافر الطابعات ثلاثية الأبعاد بشكل متزايد؛ فالطباعة ثلاثية الأبعاد من شأنها أن تتيح تصنيع الأشياء التي تلبي الرغبات الشخصية للمستخدمين، كبديل للتصنيع المركزي. ومن واقع ما أظهرته الأمثلة السابقة، يمكن القول إن الباحثين لم يتوصلوا إلا إلى النزر اليسير مما يسعهم إنجازه باستخدام هذه التقنية.