ما هي خوارزمية مستعمرة النمل Ant Colony Algorithm وكيف تعمل؟

هذه المقالة هي الجزء 10 من 12 في سلسلة أشهر الخوارزميات التحسينية المستوحاة من الطبيعية

النمل حشرات اجتماعية، تعيش في مستعمرات منظمة يتراوح عدد أعضائها بين المليونين إلي خمسة وعشرون مليون نملة. وعند بحثها عن المؤن، تتعاون مجموعات النمل فيما بينها بمختلف الطرق. فنجد من بينها، تركها لمركبات كميائية ذات رائحة معينة، أو فيرومونات من أجل التواصل مع بعضها البعض. واعتمادًا على هذه الفيرومونات تستطيع كل نملة تتبع كل مسار مشبع بها. وعند إيجاد النمل لمصدر طعام تقوم بوضع علامة كيميائية، أي وضع علامة عليه باستخدام فيروموناتها، إضافة لترك آثار كيميائية في المسار المؤدي إلى المصدر ذهابًا و إيابًا لمساعدة بقية المجموعة. تلك العمليات المعقدة أدت إلى استخدام خوارزمية مستعمرة النمل Ant Colony Algorithm في حل المشكلات الحوسبية المعقدة، فكيف حدث ذلك؟ وكيف تعمل تلك الخوارزمية؟

إنطلاقًا من البحث الأولي، والذي يكون عشوائيًا والمكلف في الوقت والجهد، تتغير تركيزات الفيرومونات من مسار لأخر. فتتبع النملات الباحثة المسار الأكثر تشبعًا. ويرجع هذا التشبع إلي تزايد عدد النملات اللاتي اتخدن هذا المسار. فباتخاد النمل لمسار محدد مرة تلو الأخرى يصبح، عمليًا، المسار المفضل. وذلك يرجع بالطبع لكونه يفيض بالفيرمونات المتروكة كعلامة من كل نملة سلكته. وهكذا تظهر طرق عديدة مفضلة نحو مصادر الطعام المكتشفة، والتي تكون غالبا هي أقصر طريق. وطريقة العمل هذه عبارة عن مثال من أمثلة ميكانيزمات رد الفعل الإيجابي positive feedback mechanisms.

السلوك المنظم للنمل

تتواجد السلوكيات المنبثقة وتتولد انطلاقًا من التفاعلات المختلفة بين النمل في المستعمرة. بحيث يتصرف أفراد المستعمرة اعتمادًا على المعلومات المحلية البسيطة المتوفرة، مثل تركيز الفيرومونات، لتنفيذ أنشطتهم.

فبالرغم من عدم تواجد رقيب يصدر الأوامر والإرشادات، نجد أن السلوك المنظم موجود لا محالة، وبتلقائية. لذلك، فسلوك من هذا القبيل ليس غريبًا في الطبيعة، ونجده حاضرًا في عدد من العمليات والظواهر الطبيعية مثل تشكل الأنماط في جلود بعض الحيوانات وتعاون الحيوانات والحشرات التي تعيش في مجموعات فيما بينها، مثل النحل والطيور، وغيرهم.

أنماط البحث الاستثنائية

تظهر أنماط البحث عن الموارد عند بعض أنواع النمل، مثل نمل الجيش army ant، مجموعة من الخصائص الاستثنائية. بحيث يقوم هذا النوع من النمل، بالبحث عن الطعام عبر عدد من الطرق الاعتيادية بزاوية فريدة وهي °123. لاعلم لنا بكيفية قدرتها على اتباع هكذا نمط و الحفاظ عليه، لكن الدراسات أظهرت أن، هذا النمل الذي ينقل مستعمرته باستمرار، يقوم مباشرة بعد انتقاله لمنطقة جديدة ببناء مستعمرته المؤقتة وبدء عملية بحثه عن الموارد.

في اليوم الأول يقوم النمل بالتجوال بطريقة عشوائية لاستكشاف محيطه، فيتحرك باتجاه معين مسافة عدة مئات من الأمتار تم يتفرع لتغطية و استكشاف مساحة أكبر. وفي اليوم التالي يختار اتجاه أخر منحرفًا عن مسار اليوم السابق بزاوية مضبوطة تساوي °123، وبالتالي تغطية مساحة كبيرة أخرى. في اليوم الذي يليه، يختار مرة أخرى اتجاه مختلفا بنفس الزاوية. بهذه الطريقة يقوم أفراد المجموعة بتغطية المنطقة كاملة في غضون أسبوعين و بعدها ينتقلون لمنطقة جديدة للاستقرار بها مؤقتًا واستكشافها والاستفادة من مواردها.

الملفت للنظر في هذا الأمر أن النمل لا يختار زاوية °120 بل °123 بالضبط، ما يكنهم بحلول اليوم الثالث من ترك زاوية °10 عن اتجاه اليوم الأول. ما يعني أن النمل سيغطي كل المنطقة الدائرية في غضون أربعة عشر يوما بدون تغطية أي مساحة تم البحث فيها مسبقا. ما يجعل من هذه الظاهرة جد رائعة وفريدة في عالم الحيونات والحشرات.

مراحل البحث في خوارزمية مستعمرة النمل Ant Colony Algorithm

للتبسيط نأخد مسارين فقط بين مصدر الطعام و المستعمرة، يمكن تحليل المراحل كما التالي:

مستعمرة أو colony باللغة الإنجليزية ، و food يعني الغذاء

المرحلة الأولى: كل النملات لا تزال في بيتها، ولا يوجد أي تركيز من الفيرومونات في محيطها.
المرحلة الثانية: تبدأ النملات بحثها العشوائي أي لكل من الطريقين احتمالية مساوية للآخر في أن يؤخد، أي 0.5 في حالتنا هذه. ومن المؤكد أن الطريق الثاني أطول وبالتالي الوقت المطلوب لقطعه، والوصول للطعام، أكبر.
المرحلة الثالثة: تصل النملات التي اتخذت الطريق الأقصر أسرع من نظيراتها، اللواتي سلكن الطريق الأطول، لمصدر الطعام. والآن من الواضح أن النمل الذي سيتبعهم في البحث سيواجه نفس المعضلة، معضلة اتخاد الطريق المناسب، لكن هذه المرة الطريق الأقصر متاح نظرًا للفيرومونات وبتركيز أعلى نظرًا لسرعة عودة النمل، وبالتالي احتمالية أعلى في اختياره.
المرحلة الرابعة: تعود نملات أكثر وأكثر من الطريق الأقصر ما يزيد بشكل كبير من تركيز الفيرومونات في هذا الأخير. ما يقلص بشكل كبير احتمالية سلوك الطريق الأخر. وبالتالي كل المستعمرة ستستخدم الطريق الأقصر، أي أن عملية تحسين المسار قد تمت بنجاح.

آلية عمل خوارزمية مستعمرة النمل Ant Colony Algorithm

اعتمادًا على خصائص سلوكيات النمل هذه، طور العلماء عدد كبير من خوارزميات مستعمرة النمل القوية، لتحقق تقدمًا كبيرًا في السنوات الأخيرة. فانطلاقًا من السنوات التي تلت تقديمها أول مرة من طرف ماركو دوريغو Marco Dorigo، سنة 1992، كمثال ناجح للخوارزميات المستوحاة من الطبيعة، ظهر عدد ضخم من المتحورات والامتدادات لها.

فلمواجهة مشكل تجسيد هذه الخصائص بطريقة خوارزمية، نجد أنفسنا أمام مبدأين وهما احتمالية اختيار الطريق المناسب، و معدل تبخر الفيرمونات. ويوجد عدد من الطرق لفعل هذا، رغم كون هذا المشكل لا زال مطروحًا لمزيد من البحث، لكن سنتحدث عن أفضل طريقة معتمدة حاليًا.

احتمالية اختيار المسار

في مشكلة توجيه الشبكة network routing، تكون احتمالية اختيار نملة في نقطة i التوجه نحو نقطة j ممثل بواسطة الصيغة التالية:

بحيث ألفا و بيتا قيمتين موجبتين، غالبا ما تكون قيمتهما في جوار 2. Φij تعبر عن تركيز الفيرومونات في المسار بين النقطتين i و j. و dij تعبر عن قابلية اتخاد ذلك الطريق استنادًا لمعلومات مسبقة عنه.

ما يعني أن المسار الأقصر هو الذي سيُسلك لكون مدة عبوره أصغر وبالتالي تركيز الفيرومونات عالٍ به. وهذه الصيغة الاحتمالية تعكس حقيقة أن النمل سيتبعون دائما المسار الأكثر تشبعًا بالفيرومونات. ففي الحالة الأبسط عند كون α=β=1، تكون هذه الاحتمالية مطابقة تماما لنسب التراكيز. وقيم المقام تقوم بمعايرة normalize هذه الاحتمالية لتحصر بين 0 و 1.

معدل تبخر الفيرومونات

يتغير تركيز الفيرومونات بمرور الزمن، فتتقلص تدريجيًا، بسبب التبخر، اعتمادًا على صيغة محددة. والأفضلية التي تكسبنا هذه الخاصية هي قدرتها على تمكيننا من تجنب الحلول المحلية. ففي أغلب حالات عدم تواجد هذه الألية، تصبح المسارات المتخذة عشوائيًا من طرف مجموعة البحث الأولى، مسارات مفضلة. وتمكننا المعادلة التالية، والتي تأخد معدل γ لاضمحلال وتبخر الفيرومونات، من تقليص هذه القيم بتقدم الزمن:

فنجد Φ0 خي القيمة البدئية لتركيز الفيرومونات، t الزمن.

إن كانت γt أصغر بكثير من 1، و تغير الزمن Δt =1، نغير المعادلة للصيغة المبسطة التالية:

مع γ تتخد قيمة بين 0 و 1. و δΦij هي قيمة الفيرمونات التي تم إضافتها خلال لحظة t في الطريق i إلي j. بالطبع عند عدم تواجد أي نملة عابرة لهذا الطريقة تكون هذه القيمة منعدمة.

دراسة تقارب خوارزمية مستعمرة النمل

يمكن إثبات قدرة عدد من متحورات خوارزمية مستعمرة النمل Ant Colony Algorithm، على التقارب نحو الحل الأمثل للمشكل المعالج خلال مدة زمنية محدودة. لكن مثل أغلب خوارزميات الأدلة العليا Metaheuristic Algorithms، من الصعب تقدير سرعة التقارب نظريًا. وهو ما يضطرنا لدراستها تجريبيًا بتغيير معلمات ضبطها. فبهكذا دراسة تم التوصل لكون أن سرعة تنفيذ الخوارزمية جد حساسة لمعلمات الضبط هذه وخصوصًا معدل تبخر الفيرومونات.

متحورات وامتدادات

تعتبر خوارزمية مستعمرة النمل Ant Colony Algorithm من مواضيع البحث المثيرة. فنظرا لإمكانياتها الهائلة نجد أن المجتمع العلمي المتخصص قد قدم عدد ضخما من المتحورات و الامتدادات انطلاقا من الخوارزمية الأصل المطورة من طرف دوريغو، ونجد من بين أشهرها:

الخوارزمية الأصل، خوارزمية مستعمرة النمل أو كما تمت تسميتها نضام النمل Ant System، واختصارًا AS.
المتحور Max-min Ant System، أو اختصارا MMAS. وتختلف هذه الأخيرة عن المتحورات الأخرى، بحصر نسب الفيرمونات في كل المسارات بين مقدارين معينين، وكون الدورة الحالية الأمثل هي فقط قادرة على ترك نسب أعلى من الفيرمونات في مسارها.
خوارزمية نظام تصنيف النمل Rank-based Ant System.
مستعمرة النمل العمودية المستمرة Continuous orthogonal Ant System.
خوارزميات النمل الافتراضية Virtual Ant Algorithms، لحل مشاكل التحسين التقليدية متعددة الأبعاد.
نظام النمل النخبوي Elitist Ant System، يهدف هذا المتحور لجعل عملية الاستكشاف تتمحور حول الحل الأمثل الحالي. وذلك بجعل كل المسارات مرتبطة بالمسار الحالي الأفضل.
خوارزمية نظام مستعمرة النمل Ant Colony System، أو ACS. بحيث تختلف عن الأصل في 3 نقط أساسية وهي: اختيار المسار منحاز لقدرتنا على استغلاله على مدار التكرارت التالية. تغير النملات معدل الفيرمونات في المسار المختار بكم مختلف من مسار لأخر. عند نهاية كل دورة، النملة الأفضل وحدها مخولة لتغيير نسب الفيرمونات في المسارات المتعددة، والتي ستتخدها المستعمرة في الدورة التالية.

تطبيقات خوارزمية مستعمرة النمل ومتحوراتها

تتكون الأنظمة المعقدة من عقد متفردة، لذلك يمكن تمديد هذه الخوارزمية لحل مشاكل توجيه جد معقدة Complex routing problems بطريق فعالة. ففي الواقع نجد أن خوارزمية مستعمرة النمل ومتحوراتها قد تم تطبيقها لحل المشكلات الضخمة الآتية:

مشكل توجيه الإنترنت Internet routing problem.
مشكل البائع المتجول Traveling Salesman Problem.

و أيضا عدد من المشاكل المتنوعة في مختلف المجالات نذكر منها:

مشاكل الجدولة Scheduling Problems.
مشاكل توجيه السيارات Vehicle Routing Problems.
مشاكل التوزيع Assignment Problems.
مشاكل المجموعات الرياضية Set Problems.
تحجيم الأجهزة في تصميم إلكترونيات النانو Device sizing problem in nanoelectronics physical design.
تصميم الأنتينات.
معالجة الصور.
التصميم الصناعي.
القطاع البنكي والمصرفي.
التنقيب عن البيانات.

و الكثير غيرها.

مصادر

الحروب السيبرانية، وجهٌ جديد للعنف الدولي

هذه المقالة هي الجزء 8 من 10 في سلسلة نبذة عن أقسى الجرائم البشرية، الحروب وأنواعها

لم يعد الأذى مقتصرًا على التدمير المادي أو الشامل في الحروب، حيث أصبح العدو يتكبد أكبر الخسائر بدون قطرة دم واحدة أو تدمير متر مربع واحد. وباتت أقوى الأسلحة في بعض الأوقات غير قادرة على تحقيق الأذى الذي قد تسببه نقرة زر في هجمة من هجمات الحروب السيبرانية. فما هي الحروب السيبرانية؟ هذا ما سنتعرف عليه في مقالنا.

تعريف الحروب السيبرانية

تم استخدام هذا المصطلح لأول مرّة في عام 1993 في مقال نشرته مؤسسة RAND، وكتبه الباحثان جون أركيلا وديفيد رونفيلدت. [2] والحروب السيبرانية أو الإلكترونية هي الحروب التي تحدث عبر الفضاء السيبراني؛ أي أجهزة الحاسوب والشبكات التي تربط بينها. حيث تشنّها الدول أو وكلاؤها ضد دول أخرى.

وتشنّ عادةً هذه الحروب ضدّ الشبكات العسكرية والحكومية، بهدف تعطيلها أو تدميرها أو حجب استخدامها. [1] وتكمن خطورة هذه الحروب في ازدياد استخدام الفضاء السيبراني في الدول المتطورة أو النامية على حدٍّ سواء. حيث أنّ كل ما يحتاجه المجتمع الحديث ليعمل من البنى التحتية الحيوية والمؤسسات المالية إلى أنماط التجارة وأدوات الأمن القومي، يعتمد إلى حد ما على الفضاء السيبراني. [1] مما يعني أنّ تزايد استخدام الفضاء السيبراني المتسارع يزيد من خطورة هذه الحرب عن ذي قبل، التي أصبحت قلقًا مستقبليًا للحكومات والجيوش

ما هو الفضاء السيبراني؟

يستخدم مصطلح الفضاء السيبراني للإشارة إلى عالم الحاسوب الافتراضي، وهو بيئة تفاعلية وافتراضية للمشتركين فيه. [3] ويتكون الفضاء السيبراني من ثلاث طبقات، يمكن لهجمات الحروب السيبرانية أن تشنّ على أي من الطبقات الثلاث وهي: [1]

الطبقة المادية التي تشمل أجهزة الحاسوب والكابلات والأقمار الصناعية وغيرها من المعدّات. والتي يتم مهاجمتها باستخدام الأسلحة والهجمات التقليدية عبر تدميرها بشكل مباشر.
الطبقة البنيوية وتتضمن البرنامج الذي يوفر تعليمات التشغيل للمعدّات المادية. و يمكن شنّ هجمات ضدها باستخدام الأسلحة الإلكترونية التي تدمر أو تتداخل أو تفسد أو تراقب أو تلحق الضرر بالبرامج التي تعمل بأنظمة الحواسيب. كهجمات حجب الخدمة الموزعة، أو هجمات “DDoS”، و هي هجمات تتم عن طريق إغراق المواقع بسيل من البيانات غير الضرورية، يتم إرسالها عن طريق أجهزة مصابة.
الطبقة الاجتماعية وتتضمن التفاعل البشري مع المعلومات التي توّلدها أجهزة الحاسوب، وطريقة استخدامهم وتفسيرهم لهذه المعلومات. وتتم مهاجمتها عبر إخضاع مستخدميها أو خداعهم أو قتلهم.

ورغم حداثة هذا النوع من الحروب إلّا أنّ التاريخ الحديث لا يخلو من أمثلة عليها.

أمثلة عن الحروب السيبرانية

قامت الولايات المتحدة بهجمات إلكترونية مباشرة في العراق في عام 2003. حيث تسببت بضرر في شبكات الاتصالات ومنشآت الحواسيب والاتصالات السلكية واللاسلكية أو دمرتها.[1]
الهجمات الإلكترونية ضد أستونيا في 2007 والتي استمرت لأسابيع. حيث تم القضاء على الخدمات عبر الإنترنت للبنوك الأستونية، ووسائل الإعلام والهيئات الحكومية بسبب مستويات غير مسبوقة من حركة الإنترنت.[7]
اكتشفت الدودة الحاسوبية ستوكسنت ” Stuxnet” في عام 2010، حيث استخدمتها المخابرات الأمريكية والإسرائيلية ضدّ المفاعل النووي الإيراني. [4] ويعتقد أنّها تسببت في تخريب 20% من الترسانة النووية الإيرانية.[5]
في عام 2015 تسبب المخترقون الروس في أول انقطاع للتيار الكهربائي ناجم عن هجوم إلكتروني ضد أوكرانيا. ونجحوا في التسبب بانقطاع التيار الكهربائي عن عدد كبير من الأوكرانيين في كييف وفي مدن أخرى.[6]
في عام 2017، أعلنت وزارة الأمن الداخلي في الولايات المتحدة الأمريكية، استهداف 21 ولاية من قبل الجهود الروسية لاختراق أنظمتها الانتخابية في عام 2016. وتمكن المتسللون الروس من الوصول إلى الأنظمة التي منحت القدرة على تغيير بيانات تسجيل الناخبين وحذفها في سبعٍ من هذه الولايات.[8]

تختلف الأساليب المتبعة في الحروب السيبرانية، والتي يزداد نطاق استخدامها وخاصة مع بزوغ عصر الحروب الهجينة والتي تعتبر الهجمات السيبرانية أحد أهم أدواتها. وتتمتع الحروب السيبرانية بالعديد من الخصائص التي زادت من جاذبيتها كوسيلة فعّالة في الحروب.

خصائص الحروب السيبرانية

تتمتع الحروب السيبرانية بالعديد من الخصائص ومنها:

التكلفة المنخفضة وهو خاصية مهمة، حيث تميل الدول المعاصرة إلى اللجوء إلى التكتيكات والاستراتيجيات منخفضة التكلفة والفعّالة في آن معًا.
يمكن استخدامها من قبل أي شخص متقن لأدواتها.
عدم وضوح الوضع القانوني للمهاجم مما يمثل صعوبة إيجاد الوسائل الفعّالة لمعاقبتهم.
إمكانية إخفاء هوية المعتدي، أي أن الدول التي تستعمل هذه الهجمات قد تضمن عدم الرد عليها بسبب عدم القدرة على إثبات تورطها أو تسببها فيها.
تحافظ العمليات السيبرانية الهجومية على ميزة تفوق العمليات الدفاعية (إلى حد كبير)، بسبب عنصر المفاجأة ووتيرة التحديث التكنولوجي الذي يستمر في إنشاء مداخل جديدة للهجوم.[8]
تهيمن الجريمة على الفضاء الإلكتروني لأن أي دفاع يجب أن يتصدى للهجمات على الشبكات الكبيرة المعرضة للخطر والتي يديرها مستخدمون بشريون غير معصومون. وبينما يجب أن ينجح الجاني مرة واحدة فقط، يجب على المدافع أن يكون ناجحًا مرارًا وتكرارًا.[1]

تمثل الثغرات الأمنية بابًا مفتوحًا للهجمات الإلكترونية على البنية التحتية الحكومية والوطنية. ويعني عدم وجود معايير دولية لمواجهة تلك الهجمات وجود الدولة في المنطقة الرمادية وعلى أعتاب حرب شاملة. لذا يجب أن تتبع الدول معايير لحماية أمنها السيبرانية لا تقل أهمية عن تشييد الحدود وتعزيز الجيوش.

ماذا يجب على الدول أن تفعل لمواجهة الهجمات السيبرانية؟

تمثل حداثة هذا التهديد وتطوره المستمر قلقًا مستمرًا للدولة الحديثة، وخاصة أنّ كل شيء في عالم اليوم قابل للعمل عبر الشبكة الإلكترونية. فقد أصبحت محطات توليد الطاقة أو توليد المياه أو حتى الانتخابات المحلية عرضة للتهديد والاختراق في أيّة لحظة. لذا يجب على الدول أن تسارع لاتخاذ إجراءات فعّالة لمواجهة هذا الخطر.

على الحكومات أن تسعى لبناء شراكات أعمق مع الدول الأخرى والشركات الرائدة وحتى الأشخاص المبدعون في هذا المجال لتعزيز نظام الأمن السيبراني. فربما تتمكن هذه الشراكات من إتاحة المزيد من التعاون الفعّال وتبادل المعلومات.[8]

إضافة إلى الاستخدام السريع للتقنيات المبتكرة والناشئة مثل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي، مع التركيز على حماية الذكاء الاصطناعي.[8]

إنشاء كتيبات إرشادات شاملة لتوحيد الإجراءات الحكومية عبر الدفاع والأمن الداخلي وتطبيق القانون والاستخبارات ووكالات الدولة. يمكن أن يؤدي هذا إلى توحيد إيجاد صيغة مشتركة وفعّالة لتوحيد الجهود القومية. [8]

وتشمل الميزات الرئيسية لأي هيكل رئيسي للدفاع الإلكتروني، جدران الحماية لتصفية حركة مرور الشبكة، وتشفير البيانات، وأدوات لمنع وكشف المتطفلين على الشبكة، والأمن المادي للمعدات والمرافق، وتدريب مستخدمي الشبكة ومراقبتهم.[1]

مما سبق يتضح أن الحرب الإلكترونية قدمت وستقدم بُعدًا جديدًا للحرب، قادرًا على تجاوز الخطوط الأمامية وإحداث الخراب في البنية التحتية التكنولوجية للعدو. لكنّها لا تفقد الحرب سمتها العنيفة، وإنما تظهر وجهًا جديدًا مختلفًا لحروب اليوم، والذي يثبت قدرة الإنسان على ابتداع واستخدام شتّى الوسائل للوصول إلى أهدافه.

المصادر:
1- britannica
2- rand
3- techopedia
4- britannica
5- fortinet
6- nordpass
7- bbc

8- rand

عوامل تباين نانوية تغير مستقبل التصوير الطبي مع تقنية النانو

يعد التشخيص والكشف المبكر عن الأمراض واحد من أهم تطبيقات طب النانو. كما يعتبر الكشف المبكر عن المرض وتشخيصه عاملًا مهماً في الشفاء خاصةً بالنسبة لمرضى السرطان.

فعلى سبيل المثال، لوحظ في دراسة دامت عامين أن معدل البقاء على قيد الحياة لمرضى سرطان الجهاز الهضمي الذين استفادوا من الكشف المبكر أعلى بكثير من أولئك الذين لم تكشف إصاباتهم مبكرًا بنسب بلغت 92.3% مقابل 33.3% [4]. بالإضافة إلى أن معدل الوفيات المدروس لمدة 10 سنوات لمرضى سرطان الثدي انخفض بنسبة 17-28% لدى المرضى الذين استفادوا من الكشف والتشخيص المبكر [2].

وغالبًا ما تلعب تقنية التصوير الطبي الدور الأكثر أهمية في الكشف والتشخيص المبكر عن لأمراض المختلفة. ويتم حاليًا العمل على تكييف أساليب التصوير الطبي المختلفة بحيث تعمل ضمن المقاييس النانوية وذلك بتحسين قدرتها على تتبع الجسيمات النانوية المحقونة ضمن الجسم والمستخدمة كعوامل تباين نانوية. إذ يوفر التصوير الطبي بالمقاييس النانوية صور أكثر تفصيلاً للعمليات الخلوية مما يتيح إمكانية التشخيص المبكر بفعالية أكبر [1].

عوامل التباين في التصوير الطبي

وفقاَ لما تَقَدم فإن الحاجة الملحة للكشف المبكر عن الأمراض وتشخيصها تدفع باستمرار لتطوير طرق التصوير الطبي المختلفة وبالأخص تطوير عوامل التباين. ويمكن تعريف عوامل التباين بأنها مواد تستخدم للحصول على معلومات تشريحية ووظيفية أكثر دقة في التصوير الطبي للتمييز بين الأنسجة الطبيعية والأنسجة غير الطبيعية [2].

مواد التباين المستخدمة حاليا لها استقلاب ودوران سريع داخل الجسم، ولها توزع غير محدد وسمية محتملة. لذا لا تزال التحديات الحالية قائمة للحصول على تصوير طبي سريع وأكثر تفصيلًا للبنى المجهرية للأنسجة. ويتم ذلك من خلال تطوير عوامل تباين غير سامة ولها وقت دوران أكبر داخل الجسم [2].

تتيح الجسيمات النانوية هذه القدرة، إذ تعود عوامل التباين القائمة على الجسيمات النانوية بفائدة كبيرة على العمليات السريرية، فنظرًا لصغر حجمها تُظهر الجسيمات النانوية تأثيرات نفاذية وبقاء معززة في الأورام. وتستخدم مع العديد من تقنيات التصوير الطبي مثل (التصوير الفلوري، والتصوير بالرنين المغناطيسي، والتصوير المقطعي المحوسب، والتصوير بالأمواج فوق الصوتية،PET، SPECT) [2].

إحصائيات عن تقنية النانو في التصوير الطبي

بالنظر إلى حدود عوامل التباين الحالية، والمزايا المحتملة للجسيمات النانوية كعوامل تباين للتشخيص المبكر وتصوير البنية المجهرية، نلاحظ تزايد الاهتمام بتكنولوجيا النانو في التصوير الطبي الحيوي بسرعة كبيرة، إذ يُظهر البحث عن مصطلح “الجسيمات النانوية والتصوير الطبي” في PubMed زيادة ملحوظة مؤخرًا في عدد المنشورات ذات الصلة مما يبرز الجهود المكثفة المبذولة في هذا المجال.

عدد الأبحاث المنشورة عن تقنية النانو والتصوير الطبي في PUBMED نلاحظ التزايد السنوي السريع وبالأخص للتصوير الفلوري والرنين المغناطيسي.

اعتبارات تصميم عوامل التباين القائمة على الجسيمات النانوية

اختيار الجسيمات النانوية: تم اقتراح مجموعة واسعة من الجسيمات النانوية لاستخدامها كعوامل تباين، وتتطلب طرق التصوير المختلفة جسيمات نانوية ذات خصائص مختلفة لإنتاج التباين [3].
أنواع الطلاء: الكثير من المواد النشطة وظيفيًا والمستخدمة لتوليد التباين في التصوير الجزيئي لها توافق حيوي منخفض جدًا مما يؤدي إلى إفراز سريع خارج الجسم وعمر نصف منخفض واستقرار منخفض وسمية محتملة. لذلك تم بذل جهود كبيرة لجعل هذه المواد قابلة للتطبيق بيولوجيًا. وتم اكتشاف مجموعة متنوعة من الأساليب المختلفة باستخدام مواد مثل الفوسفوليبيدات وديكستران وبولي فينيل بيروليدون أو السيليكا كطلاء. وتتمثل الاستراتيجية البديلة للطلاء الاصطناعي في استخدام الجسيمات النانوية الطبيعية مثل الفيروسات أو البروتينات الدهنية وبالتالي تجنب تعرف أنظمة الدفاع في الجسم عليها [3].
استراتيجيات استهداف الخلايا والمناطق الهدف: إما الاستراتيجية الفعالة أو السلبية، وتحدد الأولى بربط الجسيمات النانوية بأنواع مختلفة من الجزيئات كالـ(البروتينات والببتيدات وغيرها). في حين تحدد الثانية من خلال الطلائات كال( ديكستران ) مثلا [3].
تأثير الحجم: يلعب حجم الجسيمات النانوية دورًا مهمًا في عدد من الجوانب بما في ذلك أنواع الخلايا التي يمكن استهدافها ونفاذيتها ضمن الأنسجة واستقلابها في الجسم وقوة وجودة التباين الناتج [3].

فمثلا، حجم الجسيمات النانوية مهم في إفراز الجسيمات من الجسم. حيث يتم إزالة الجسيمات النانوية من الجسم عبر الجهاز الكلوي [3]. و باستخدام تقنيات التألق تبين أن الجسيمات النانوية التي تساوي أو تقل عن 5.5 نانومتر يتم إفرازها من خلال الجهاز الكلوي في حين أن الجسيمات الأكبر من ذلك ينتهي بها الأمر في الكبد والطحال. هنا يتم استقلابها وإفرازها أو تتراكم وقد تصبح سامة للجسم. من ناحية أخرى إذا كانت الجسيمات صغيرة بما يكفي لإفرازها كلويًا فسيقل نصف عمرها [3].

أول تقنيات التصوير القائمة على الجسيمات النانوية، A فلوري، B المقطعي المحوسب، C المرنان، D الإيكو، E التصوير بالأصدار البوزيتروني، F التصوير المقطعي المحوسب بالإصدار البوزيتروني.

استخدام الجسيمات النانوية في التصوير الفلوري

يتمتع التصوير الفلوري بمزايا تغلغل أكبر ضمن الأنسجة، وتألق أقل للأنسجة غير المرغوبة [2]. ولكن يعيبه عمق اختراقه المحدود وتعيق عملية التشتت ضمن النُسج المختلفة النفع المحتمل من المعلومات السريرية التي يقدمها. وكما يؤدي التألق المحدود في المرض المستهدف والتبييض الضوئي لحساسية منخفضة للكشف عن الأمراض الشاذة [2].

وهنا يأتي دور الجسيمات النانوية التي تتميز بخصائص مفيدة للتغلب على القيود المحتملة للتصوير الفلوري. فعلى سبيل المثال يمكن تحميل عدد أكبر من جزيئات الصبغة الفلورية في الجسيمات النانوية لتوفير المزيد من الإشارات. بالإضافة إلى ذلك يمكن تعديل (أو هيكلة) الجسيمات النانوية من أجل منع الإخماد المحتمل عند الحاجة. علاوة على ذلك يمكن استخدام بعض الاستراتيجيات لزيادة تركيزات الجسيمات النانوية في الأمراض ومن ثم زيادة تركيز الصبغة الفلورية للمشكلة المحلية. كما تتميز الجسيمات النانوية بقضائها وقتًا طويلًا نسبياً في الدورة الدموية، مما يعطي امتصاصاً أكبر للأمراض المستهدفة. ويمكن أيضاً تصميم الجسيمات النانوية لتحويل فوتونات الطاقة المنخفضة إلى فوتونات ذات طاقة أعلى وهو أمر مهم لتقليل تأثيرات الوميض والتبييض الضوئي [2].

وقد تم استخدام الجسيمات النانوية كعوامل تباين في التصوير الفلوري في الكثير من الموضوعات. مثل الكشف عن الجينات، وتحليل البروتين، وتقييم نشاط الإنزيم، وتتبع العناصر، وتتبع الخلايا، وتشخيص الأمراض في مرحلة مبكرة، والبحوث المتعلقة بالأورام، ومراقبة التأثيرات العلاجية في الوقت الحقيقي [2].

أمثلة من مجموعة دراسات لخصها المرجع [2] في الجدول 1 لاستخدام الجسيمات النانوية في التصوير الفلوري، وتتضمن اسم عامل التباين في التصوير، وحجم الجسيمات النانوية، والتطبيقات الطبية الحيوية، وما إذا كان قد تم التجريب في الجسم الحي أو في المختبر [2].

Experimental model	Applications	Size (nm)	Imaging agent
SK-BR-3 human cancer cells, CHO-K1 Chinese hamster ovary cells	Detecting early stage breast cancer	120	UCNP
Mice bearing SCC7 tumors	Detecting protease activity	20	Cy5.5
HeLa cells	Testing caspase-3 to identify apoptosis activity in cells	37.8	Cy5.5
SCC-7 cells, 293T cells and athymic BALB/c nude mice bearing SCC-7 cells	Detecting tumor and guiding therapy	141	PLNP
HepG2 cells	Tracking ion of Zn and Cu in alive cell	13	FAM,Cy5
A549 lung cancer cells	Monitoring therapeutic drug delivery	90.9	FITC
Athymic nude mice	Monitoring drug diffusion	30 ,200	Cy7.5
Swiss nude mice bearing HCT-116 cells	Monitoring NP accumulation and dissociation kinetics in tumor	20	Cy7
BALB/c mice, athymic nude mice bearing SKOV3 tumors	Targeted imaging tumor cells	12	Quantum dots
Breast cancer cells (MCF-7)	Detecting MCF-7 cell in breast cancer	120	PFVBT
Breast cancer cells (MCF-7)	Imaging double-stranded DNA	3.6	Ethidium bromide
HeLa cells	Detecting nanotoxicity in alive cells	18, 70	Perylenediimide
TT cells (human thyroid cancer cells), athymic nude mice bearing TT cells	Monitoring cellular uptake of nanoparticles and combined with therapy	14	UCNP
Nude mice	Detecting lymph node	55	IR

الجدول 1: لاستخدام الجسيمات النانوية كعوامل تباين في التصوير الفلوري.

استخدام الجسيمات النانوية في التصوير بالرنين المغناطيسي MRI

التصوير بالرنين المغناطيسي MRI هو طريقة تصوير قوية تستخدم منذ فترة طويلة في التشخيص السريري. يعتمد على دوران البروتون عند وجود مجال مغناطيسي خارجي، حيث تتم إثارته بنبض ذو تردد راديوي. اعتمادًا على إشارة الرنين المغناطيسي النووي الصادرة عن البروتونات في الأجسام البشرية يوفر التصوير بالرنين المغناطيسي دقة مكانية عالية ودقة زمنية وتباينًا ممتازاً للأنسجة الرخوة. كما أن لديه القدرة على إظهار المعلومات التشريحية المقطعية في شكل ثلاثي الأبعاد. تشمل حدود التصوير بالرنين المغناطيسي التكلفة وأوقات التصوير الطويلة نسبياً وحدود الأجهزة والأعضاء المزروعة المحتمل وجودها لدى المرضى. تساعد عوامل التباين في التصوير بالرنين المغناطيسي بشكل كبير في اكتشاف الآفات والتمايز عن الأنسجة السليمة [2].

يمكن لعوامل التباين الجديدة بمقياس نانو متر أن تتيح استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي على مستويات الجينات والبروتين والخلية والأعضاء كما تعتمد التطبيقات الأخرى على الامتصاص الخلوي غير المحدد مثل تصوير الالتهاب وتحديد العقدة الليمفاوية الخبيثة وتتبع الخلايا الجذعية ومراقبة الغرسات الحيوية [2].

تم تلخيص أمثلة عن التصوير بالرنين المغناطيسي مع استخدام عوامل تباين نانوية بواسطة المرجع [2] أيضا في الجدول 2 بما في ذلك تكوين الجسيمات النانوية وطرق التصوير وحجم الجسيمات النانوية والتطبيقات الطبية الحيوية وما إذا كان قد تم تجريبه في الجسم الحي أو في المختبر.

Experiment model	Imaging	Applications	size (nm)	NP
VX-2 rabbit	T1	Imaging angiogenesis	273	Alpha(nu)beta(3)-Gd (paramagnetic particle)
SD rats	T1	Imaging placenta as blood-pool contrast	125	Liposomal gadolinium
NIH/3T3 and T6–17 cells	T2	Imaging target cells	74	Her2/neu-Oleosin-30G (Micelles)
RAW264.7 cells, BALB/c mice	T1,T2	New T1/T2 MRI contrast agent	50.4	G4.5-Gd₂O₃-PEG
GFP-R3230Ac cell line	T2	Tracking GFP gene marker	70-140	SPIO
ApoE-/- mice	T1	Imaging and characterizing atherosclerotic plaques	14-17	rHDL-Gd
Mouse	T1,T2	Blood-pool contrast with longer life-time	60	RBC encapsulated iron particles
HeLa cells	T2	Determining nanoparticle vehicle unpackaging for gene	100	USPIO-PEI
Mice bearing C26 and HT-29 cells	T1,T2	PH-activatable contrast in cancer	60	PEGMnCaP NPs
BALB/c nude mice	T1,T2	Imaging lymph node	100	Mn-nanotexaphyrin
Rabbit	T2	Delivering drug and MRI imaging	15-300	Micelles with PTX and SPIO
Porcine vascular smooth muscle cells	T1	Evaluating and quantifying drug delivery system for vascular restenosis	250	TF-biotinylated perfluocarbon-(Gd-DTPA-BOA)@(doxorubicin /paclitaxel)
Mouse	T2	Detecting and imaging thrombus	40	FibPep-ION-Micelles
C57BL/ 6 mice	T2	Imaging post-stroke neuroinflammation	50	P-selectin-MNP(iron oxide)-PBP
In vivo	T2	High power liver imaging contrast	80	Mn-SPIO micella
BALB/c nude mice	T1,T2	Imaging pancreatic islet graft	44	TMADM-03
Swiss mice	T2	Imaging and tracking stem cells	88.2	DHCA functioned IONP labeled hMSCs
LNCaP and PC3 cell line	T1,T2	Imaging prostate cancer cells and chemotherapy	66.4	TCL-SPION-Apt
Mice bearing MDA-MB-468 cells	F-MRI	Detecting breast cancer	7.8	HBPFPE-aptamer

الجدول 2 : لاستخدام الجسيمات النانوية في التصوير بالرنين المغناطيسي MRI.

استخدام الجسيمات النانوية في التصوير المقطعي المحوسب CT

يستفيد التصوير المقطعي المحوسب (CT) من توهين الأشعة السينية في الأنسجة لإنشاء صور مقطعية وثلاثية الأبعاد. نتيجة لسرعة الفحص وانخفاض التكلفة، وتحسين الكفاءة، وزيادة الدقة المكانية للتصوير السريري، سرعان ما حل التصوير المقطعي محل التصوير الشعاعي للفيلم العادي رغم الكميات الأكبر من التعرض للإشعاع المؤين [2].

تلعب عوامل التباين المقطعي المحوسب دورًا مهمًا في التمييز بين الأنسجة ذات معاملات التوهين المماثلة. حاليًا تعتمد عوامل التباين المقطعية المحوسبة في الوريد أساسًا على اليود. تشمل حدود عوامل التباين الميودنة الإزالة السريعة من الجسم والتسمم الكلوي المحتمل والتوزيع غير النوعي في الدم والأحداث الضارة الموثقة والحساسية المفرطة. نتيجة لذلك تم إدخال عوامل التباين النانوية للتغلب على هذه القيود وزيادة نطاق التصوير المقطعي المحوسب [2].

تم استخدام عوامل التباين النانوية في التصوير المقطعي المحوسب في أدوار متعددة بناءً على امتصاصها الخلوي، والقدرة على توليد توهين قوي للتصوير المقطعي المحوسب، وقدرات الاستهداف الخاصة بها. على سبيل المثال، تم استخدام جزيئات الذهب النانوية التي تبتلعها خلايا الدم الحمراء لتصوير تدفق الدم. اليود الشحمي مع وقت دوران طويل وتقوية التصوير المقطعي المحوسب قد تم استخدامه لتقييم الأوعية الورمية وتم استخدامه لتصوير سرطان البروستاتا. وأخيراً تم استخدام تراكم الجسيمات النانوية لثاني أكسيد الزركونيوم لتصوير الورم ومراقبة توزيع الأدوية [2].

يوضح الجدول 3 من المرجع [2] أمثلة عن التصوير المقطعي المحوسب مع استخدام عوامل تباين نانوية ويعرض تكوين الجسيمات النانوية وحجم الجسيمات النانوية والتطبيقات الطبية الحيوية وما إذا كان قد تم تجريبه في الجسم الحي أو في المختبر.

Experiment model	Applications	Size (nm)	NP
LNCaP and PC3 prostate cancer cells	Imaging prostate cancer cells	29.4	PSMA-specific aptamer conjugated AuNP
Apolipoprotein E-deficient mice	Imaging macrophage-rich atherosclerotic plaques	400	Liposomal iodine
Balb/c mice bearing 4T1/Luc cells	Identifying tumor vascular structure	100	Liposomal-iodine
In vitro	Producing greater imaging capability than iodine	<6	Tantalum oxide
In vitro	Incorporating RBC to image blood flow	20	AuNP
Mice bearing EMT-6 and CT-26 cells	Labelling tumor cells to image tumor growth	1	AuNP
B6C3f1 mice bearing Tu-2449 cells	Imaging brain malignant gliomas and enhancing radiotherapy	11	AuNP
Mice	AuNP with CT contrast capability	27-176	AuNP
Rat bearing R3230 AC cells	Imaging tumor	113	Liposomal iodine
FSL rat	Tracking mesenchymal stem cells	20	AuNP

الجدول 3: لاستخدام الجسيمات النانوية في التصوير المقطعي المحوسب CT.

استخدام الجسيمات النانوية في التصوير بالأمواج فوق الصوتية US

التصوير بالموجات فوق الصوتية US هو أحد أكثر طرق التصوير التشخيصي الطبي استخدامًا نظرًا لقابليته للنقل وعدم التوغل في الجسم والدقة المكانية العالية والتكلفة المنخفضة وخصائص التصوير في الوقت الفعلي. تم تطوير عوامل التباين المستخدمة في الموجات فوق الصوتية لتعزيز اختلاف الإشارات الصوتية بين الأنسجة السليمة والآفات المستهدفة. تتكون عوامل التباين بالموجات فوق الصوتية المتوفرة تجارياً من فقاعات صغيرة تتراوح في مقياس من 1 إلى 8 مايكرومتر. وقد تم استخدام تقنية النانو للتغلب على القيود المحتملة لعوامل التباين الحالية، فالجسيمات النانوية كعوامل تباين بالتصوير في الموجات فوق الصوتية أصغر بكثير من عوامل التباين بالموجات فوق الصوتية المستخدمة حالياً. فكما هو الحال مع الجسيمات النانوية الأخرى فإن الحجم الصغير يسهل استهداف الآفات، وتشمل التطبيقات تصوير الخلايا الجذعية واكتشاف الالتهاب وتوصيل الأدوية. ومع ذلك من أجل الحصول على ما يكفي من الانعكاس الصوتي تحتاج الجسيمات النانوية في الأمواج فوق الصوتية عادة إلى أن تكون أكبر من الجسيمات النانوية منها في CT أو MRI والتي تتراوح من مئات إلى آلاف النانومتر [2].

تم تلخيص أمثلة على عوامل التباين بالموجات فوق الصوتية للجسيمات النانوية في الجدول 4 حيث ذكر تكوين الجسيمات النانوية وتصنيفها وحجم الجسيمات النانوية والتطبيقات الطبية الحيوية وما إذا كان قد تم تجريبه في الجسم الحي أو مختبر [2].

Experiment model	Classification	Applications	Size (nm)	NP
Bel7402 and L02 cells	Liquid	Molecular tumor imaging agents	229.5	FA-PEG-CS and perfluorooctyl bromide nanocore
In vitro	Gas	Ultrasound imaging agents with potential therapeutic applications	3000	Silica coated NP into perfluorobutane microbubble
Wister rat	Gas	Ultrasound imaging agents	152	C₃F₈-filled PLGA
Label human mesenchymal stem cells and inject into nude mice	Solid	Stem cell imaging agent	30-150	Exosome-like silica NP
Rabbit vx2 tumor	Solid	Ultrasound imaging agents	260	Rattle-type MSN
C3H/HeN mice bearing SCC-7 cells	Gas	PH related contrast agents in tumor	290	Gas-NP
SKBR-3 and MDA-MB-231 human breast cancer cells	Solid	Specific detection of tumor molecular marker	250	PLA-herceptin
Athymic mice bearing N2a cells	Gas	PH related contrast agents in tumor	220	RVG-GNPs
Chicken embro HT1080-GFP and Hep3-GFP tumor	Gas	Tumor imaging contrast agent	185	Porphyrin nanodroplet
CD1 mice	Gas	Ultrasound imaging agents	100-200	PFC-NP(C₄F₁₀)

الجدول 4: لاستخدام الجسيمات النانوية في التصوير بالأمواج فوق الصوتية US.

استخدام الجسيمات النانوية PET\SPECT

التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) هو تقنية طب نووي قوية ومستخدمة على نطاق واسع مع اختراق عالي للأنسجة وحساسية عالية وتصوير في الوقت الحقيقي. إلى جانب المعلومات التشريحية قد توفر PET أيضًا معلومات بيولوجية على المستوى الجزيئي بناءً على تتبع النويدات [2].

التصوير المقطعي المحوسب بانبعاث فوتون واحد (SPECT) هو تقنية أخرى للطب النووي مستخدمة على نطاق واسع ولها مزايا مماثلة مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني حيث يمكنها اكتشاف الوظيفة كيميائية حيوية غير الطبيعية قبل حصول التغييرات في علم التشريح [2].

تشمل قيود PET / SPECT التكلفة العالية والتعرض الإشعاعي العالي [2].

تُستخدم الجسيمات النانوية في PET / SPECT بشكل أساسي في الكشف عن الأورام [2].

تم تلخيص أمثلة عن الجسيمات النانوية المستخدمة في التصوير PET\SPECT في الجدول 5 بما في ذلك تكوين الجسيمات النانوية والحجم والتطبيقات الطبية الحيوية وما إذا كان قد تم اختباره في الجسم الحي أو في المختبر [2].

Imaging modality	Experiment model	Applications	Size (nm)	NP
PET	Mice bearing U87MG tumor	Imaging tumor	100-150	F-labeled DBCO-PEGylated MSN
PET	Mice	Detecting pulmonary inflammation	200	I-labeled anti-ICAM-1/PVPh-NP
PET	Mice bearing neuro2A tumor	Monitoring pharmacokinetics and tumor dynamics	37	Cu labeled IT-101
PET	Athymic mice bearing CWR22 tumor cells	Imaging natriuretic peptide clearance receptor in prostate cancer	16-22	Cu labeled CANF-comb nanoparticle
PET	C57BL/6 mice deficient in apolipoprotein E	Imaging macrophages in inflammatory atherosclerosis	20	Cu-TNP
PET	C57BL/6 recipients of BALB/c allografts in mice	Detecting rejection and immunomodulation in cardiac allografts	20	Cu labeled CLIO-VT680
PET	C57BL/6 mice deficient in apolipoprotein E	Imaging atherosclerosis in artery	16-22	Cu labeled CANF-comb nanoparticle
SPECT	BALB/C mice	Monitoring distribution of nanoparticles	12	I silver nanoparticle
SPECT	U87MG, MCF7 cells and nude mice bearing U87MG cells	Detecting cancer cells and imaging tumor sites	31	I labeled cRGD-PEG-AuNP
SPECT	C57BL/6 mice, nude mice and BALB/c mice bearing 4T1-Luc2-GFP cells	Imaging lymph node metastasis	25	In labeled lipid/calcium/phosphate NPs
SPECT	Nude mice bearing U87MG cells	Tracking glioblastoma	70	In-MSN labeled neural stem cells
SPECT	4T1 TNBC mouse	Targeted imaging tumor	5	AuNPs(DAPTA)

الجدول 5: لاستخدام الجسيمات النانوية في التصوير PET\SPECT.

حاضر ومستقبل تقنية النانو في التصوير الطبي

نستنتج مما تقدم أنه وبالمقارنة مع عوامل التباين التقليدية، أظهرت الجسيمات النانوية المستخدمة كعوامل تباين تحسناً في كثافة الإشارة وقدرة الاستهداف ووقت دوران أطول في الجسم الحي في كل من نماذج الأمراض المختبرية والحيوانية خاصة لتشخيص السرطان وعلاجه. فبمساعدة تقنية النانو أصبحت طرق التصوير الطبي المعروفة أكثر قوة من ذي قبل. وأظهرت تحسنًا واعداً، إذ تقدم تقنية النانو الجسيمات النانوية التي تَعدنا بإمكانيات ثورية لاستخدامها كعوامل تباين في التصوير الطبي لمجموعة متنوعة من التطبيقات السريرية. كما تحسن تصميم هذه الجسيمات بشكل كبير خلال العقد الماضي، مع تعدد الوظائف والاستهداف الأكثر كفاءة والتوافق الحيوي الأفضل، والعوامل المناسبة لكل طريقة تصوير متاحة.

في المرحلة الحالية من التطوير بشكل عام يمكن تصنيع عوامل التباين النانوية التي تمتلك السمات المطلوبة لأي تطبيق مرغوب. حيث يتطلب تصميم عوامل تباين الجسيمات النانوية الفعالة للتصوير دراسة متأنية للخصائص المطلوبة للتطبيق المعني. وبمجرد تحديد الخصائص المطلوبة يمكن تحديد الجسيمات النانوية المرشحة. ويمكن بعد ذلك تحسين تخليق الجسيمات لإنشاء جسيمات تجمع التباين مع العلاجات المضمنة المناسبة وطلاء السطح الأمثل وخصائص الاستهداف والحجم المحدد ودرجة عالية من التوافق الحيوي.

ومع ذلك، ما زال هناك مجال لتحسينات كبيرة في التوافق الحيوي والفعالية والخصوصية واكتشاف المزيد من الأمراض باكرًا. وأخيراً ستستمر تقنية النانو في إنتاج جسيمات جديدة تمتلك خصائص جديدة ومثيرة للاهتمام وسيتم استغلالها في التصوير الطبي. كما سيستمر تطوير طرق التصوير الطبي مما يتطلب تركيب جسيمات نانوية جديدة كعوامل تباين.

المصادر

[1]. AZONANO

[2]. NCBI

[3]. Nanotechnology in Medical Imaging | Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology (ahajournals.org)

ما هي الطاقة الحرارية الجوفية؟

هذه المقالة هي الجزء 20 من 22 في سلسلة موضوعات تأسيسية في الطاقة المتجددة

تصنف الحرارة الجوفية كأحد مصادر الطاقة المتجددة كون الماء الذي يدخل جوف الأرض يتجدد بفعل مياه الأمطار، وتنتج الحرارة عميقًا في باطن الأرض. وبهذا يصبح لدينا مصدر من الممكن الاستفادة منه في توليد الكهرباء، وتدفئة المنازل؛ والمنازل الخضراء.

تعريف مصطلح الطاقة الحرارية الجوفية

بالعودة لأصل مصطلح الطاقة الحرارية الجوفية 《Geothermal》 مأخوذة من دمج الكلمتان الإغريقيتان 《Geo》 والتي تعني أرض، و 《therme》 التي تحمل معنى حرارة. ببساطة من المصطلح ذاته نستطيع تعريف هذه الطاقة بكونها حرارة تأتي من باطن الأرض على شكل بخار أو ماء حار.

كيف تتولد الطاقة في جوف الأرض؟

تتولد الطاقة الجوفية للأرض بصورتها الخام وهي الحرارة في لب الأرض، في عمق يصل إلى أربعة آلالاف ميل من سطح الأرض. يؤدي انصهار المواد المشعة في باطن الأرض إلى إنتاج درجات حرارة عالية تتجاوز قيمتها درجة حرارة سطح الشمس. لفهم أين تحدث هذه الظاهرة علينا في البدء معرفة الطبقات المختلفة التي تكون الأرض:

اللب 《 The Core》

اللب بحد ذاته يتكون من طبقتين: لب حديدي صلب، ولب خارجي يتكون من انصهار الصخور المختلفة المسماة بالماجما 《Magma》.

غلاف اللب الأرضي 《Mantle》

وهو ما يحيط باللب، ويصل إلى عمق ١٤٠٠ أميال. ويتكون من طبقة من الماجما، وطبقة أخرى خارجية صخرية.

القشرة الأرضية《The Crust》

أو ما تسمى بالأديم تعتبر الطبقة الخارجية للأرض. وهي الطبقة التي تكون القارات، وقاع البحار والمحيطات. تصل سماكتها إلى خمسة وثلاثين ميل في القارات، خمسة أميال في قاع المحيطات.

كيف تكون الحرارة في جوف الأرض؟

تنتقل الحرارة من المناطق الحرارة إلى الباردة، وبهذا تتدفق حرارة الأرض من عمقها إلى سطحها لتغذية المحطات التي يراد تدويرها. بفعل العمليات الجيولوجية والتي تعرف بإسم انقسام الصفائح التكتونية، انقسمت طبقة الأرض الخارجية إلى اثني عشرة صفيحة أصبح تتحرك مبتعدة أو مزاحمة لبعضها البعض بمعدل ميليميترات في السنة. عند اصطدام صفيحتان ببعضهما، تدفع أحدهما الأخرى من أسفل ليحدث بهذا ما يسمى بخنادق المحيطات أو الزلازل القوية. وبالتالي في العمق، تحديدًا فوق الصفيحة التي تحركت إلى أسفل، ترتفع درجات الحرارة بشكل كبير مسببة ذوبان الصخور والتي تكون الماجما أو الصهارة. ولأن الصهارة ذات كثافة أقل من الصخور المحيطة بها، تتحرك إلى أعلى مندفعة نحو قشرة الأرض حاملة معها الحرارة. وفي بعض الأحيان الصهارة ترتفع إلى السطح على الشقوق لتشكل الحمم البركانية. إلى أن معظم الصهارة تبقى تحت القشرة الأرضية، وتعمل على تسخين الصخور المحيطة بها والمياه الجوفية. وبهذا تعتبر هذه الحرارة مصدرًا يتم الاستفادة منه عبر حفر آبار عميقة لضخ الماء الحار، والبخار إلى السطح.

أماكن تواجد الطاقة الحرارية الجوفية

تستخدم تقنيات جيولوجية، وهيدروجيولوجية، وجيوفيزيائية، وجيوكيميائية لتحديد كميات مصادر الطاقة الجوفية. تعنى الدراسات الجيولوجية والهيدروجيولوجية بتحديد مناطق الينابيع الساخنة، ومتابعة أي دلائل تشير إلى وجود طاقة حرارية كامنة لعمل توصيات على المناطق التي من المفضل حفر الآبار فيها.

متى بدأ استخدام الطاقة الحرارية الجوفية؟

لطالما كان استخدام الماء الحار القادم من باطن الأرض شائعًا منذ العهود القديمة. فقد استخدم كلًا من الرومان، والصينيون، وسكان أميركا الأصليين الينابيع المعدنية الحارة للاستحمام، والطبخ، والتدفئة. حاليًا من أكثر الاستخدامات شيوعًا لهذا المصدر هي تدفئة المنازل عبر أنابيب يضخ الماء من خلالها، لتحيط بالمكان المراد تدفئته. بالإضافة إلى استخدامها في تنمية المحاصيل الزراعية، وتجفيف الخشب، والفواكه، والخضار.

محطات الطاقة الحرارية الجوفية

كمية الحرارة من مصادر الطاقة الجوفية هي ما تحدد إن كان الموقع صالح للاستخدام من عدمه. إنتاج الطاقة من مصادر الطاقة الجوفية للأرض يتطلب وجود مصدر يحتوي على كمية حرارة تصنف من متوسط إلى عالي. يتم إنتاج الكهرباء من مصادر الطاقة الجوفية للأرض بالوقت الحالي باستخدام أحد أربع تقنيات متواجدة حاليًا على مدى الاستخدام الاقتصادي:

١- محطات البخار الجاف المباشرة《Direct Dry Steam Plants》:

تعتبر هذه المحطات الأقدم. يتم فيها الإستفادة من بخار الماء ذو الضغط المنخفض من مصدره الرئيسي عبر عنفة بخارية مصممة خصيصًا لهذا الإستخدام المباشر. يستخدم هذا النوع مع المحطات نوع من العنفات البخارية التي تعنى بتكثيف البخار كوظيفة أساسية. يعاد تدوير البخار المكثف في نظام دائرة مغلقة، أو تبخيره إلى أبراج تبريد رطبة. تستخدم هذه المحطات بخار لا تقل درجة حرارته عن 150 درجة مئوية، بالإضافة إلى ذلك يجب أن يكون البخار الداخل إلى العنفة جاف بنسبة تصل إلى 99.995% لتجنب تكلس أو تآكل العنفة ومنظومة الأنابيب. تتراوح القدرة الإنتاجية لمحطات البخار الجاف من 8 ميجا واط إلى 140 ميجا واط.

محطات التبخير الفجائي 《Flash Plants》

تعتبر هذه المحطات الأكثر شيوعًا حاليًا في توليد الطاقة عبر الطاقة الحرارية الجوفية. المنظومة تشبه محطات البخار الجاف، إلا أنها تستخدم البخار الآتي من عملية مسبقة تسمى بالتبخير الفجائي قبل دخوله إلى العنفات في عملية تكثيف نقي، ليتم بعدها إرسال البخار المكثف إلى دائرة نظام مغلق في المنظومة، أو إلى منظومة البتخير الفجائي تحت ضغوط منخفضة مرة أخرى. تنخفض حرارة المائع حين انخفاض ضغطه، لذا تعتبر هذه المحطات مثالية للبخار الخام ذو الحرارة التي تتجاوز 180 درجة مئوية. تختلف القدرة الإنتاجية لهذه المحطات بحسب مراحل التبخير الفجائي الذي يمر به البخار، فإن كانت منظومة آحادية تنتج المحطة ما بين 0.2 إلى 80 ميجا واط، وإن كانت ثنائية تعطي المحطة طاقة تتراوح ما بين 2 إلى 110 ميجا واط، وكذا تنتج المحطات ذات التبخير الفجائي الثلاثي قدرة تتراوح ما بين 60 إلى 150 ميجا واط.

المحطات الثنائية《Binary Plants》

تبنى هذه المحطات في مواقع الطاقة الجوفية ذات المحتوى الحراري 《Enthalpy》 المنخفض أو المتوسط. يدخل المائع المعالج إلى مبادرات حرارية ليتم تسميته ورفع حرارته في منظومة دورانية مغلقة. المائع المعالج المستخدم والذي يتكون من خليط الأمونيا والماء المستخدم في دورة كالينا، أو خليط هيدروكربوني في دوائر راكنين العضوية لديهما نقاط تكثف وغليان مناسبة الحرارة مصادر الطاقة الجوفية. بشكل عام، تستخدم المحطات الثنائية في مصادر طاقة تتفاوت درجات حرارتها ما بين 100 و 170 درجة مئوية. رغم إمكانية استخدام مصادر ذوات درجات حرارة أقل 100 درجة مئوية، إلى أن هذا يقلل من فعالية خرج الإنتاجية الكهربائية. تتفاوت القدرة الإنتاجية لمحطات الثنائية ما بين 1 و 50 ميجا واط.

المحطات المدمجة أو الهجينة 《Hybrid Plants》

تدمج بعض محطات الطاقة الجوفية دوائر حرارية مثل: دائرة رانكين لإنتاج الكهرباء من ما يمكن أن يعتبر مخلفات حرارية من الدوائر الثنائية. يساعد استخدام دائرتان حراريتان لرفع الإنتاجية الكهربائية. تتراوح القدرة الإنتاجية لهذه المحطات ما بين بضعة ميجا واطات إلى 10 ميجا واط. تستخدم محطات الطاقة الجوفية المدمجة الأساسيات ذاتها التي تستخدمها محطات الطاقة الجوفية العادية، إلى أنها تضيف إليها مصدر حراري آخر في العملية، على سبيل المقال: حرارة من محطة طاقة شمسية مركزة. تضاف هذه الحرارة إلى الطاقة الجوفية لتزيد الحرارة وبالتالي خرج الطاقة.

المصادر:

[1] GEOTHERMAL POWER.
Intermediate Energy [2]

كيف تأثر الغرب بعمارة الحضارة الإسلامية؟

هذه المقالة هي الجزء 14 من 14 في سلسلة تاريخ مغامرة العرب في بلاد الأندلس

طوال القرون الماضية ظل اتهام المسلمين بسرقة الحضارة الغربية، وبالسرقة عمومًا. حتى أنهم لقبوا قديمًا من قبل الأوروبيين بـ “Saracenes”، وهي كلمة لم تعد مستخدمة في عصرنا الحالي، رجح البعض اشتقاق تلك الكلمة من السارقين. وظل المسلمون ينادون بذلك اللقب بدلًا من أن ينادوا فقط بالمسلمين “Muslims”. ولكن ماذا لو كان العكس صحيحًا، وكانت الحضارة الغربية هي من سرقت بالفعل من الحضارة الإسلامية. فهل تأثر الغرب بعمارة الحضارة الإسلامية؟

ربما قد سمعت عن العصور المظلمة التي عانت منها الدول الأوروبية. ولكن هل سمعت بأن العصور الأوروبية المظلمة هي ذاتها العصور الذهبية الإسلامية. خاصة في كلٍّ من إسبانيا وصقلية، كما ذكر المهندس المعماري الإنجليزي كرستوفر رن. قد كان العالم الإسلامي رائدًا في كافة المجالات، مثل الأدب، والطب، والهندسة، والعمارة، ومجالات أخرى لا عد لها ولا حصر. وكانت العمارة في الشرق في غاية التميز والإبداع، وكانت كذلك دقيقة في التفاصيل، ثابتة في التشييد. ولذلك أثبتت العمارة في الشرق جدارتها حتى يومنا الحالي في العديد من البنايات الشهيرة حول العالم.

كيف انتقلت الحضارة الإسلامية إلى الغرب؟

وصول الحضارة الإسلامية إلى أوروبا

تميزت العمارة العربية والإسلامية بدقة الأشكال الهندسية المكوّنة لمبانيها، وكذلك تعقيد تركيبها وتشكيلها لأسطح كنائسها ومسجادها. وأثرت العمارة العربية قديمًا في القوط ومن ثم الأوروبيين والأمريكيين، ولكن كيف انتقلت العمارة من الشرق إلى الغرب؟ لا شك أن الأمويين كانوا بوابة الغرب على الشرق بداية من إسبانيا، حيث نقل المعماريين والعلماء، وكذلك الأدباء ثقافتهم إلى الأندلس. إذ كانت الأندلس تحت الحكم الإسلامي لمدة 800 عام. لم تكن تلك القرون بالبسيطة، ولم تمر مرور الكرام، بل أثرت وتأثرت، مما أدى إلى تناغم بين الشرق والغرب في العديد من المجالات. وكان أحد أبرز مظاهر التأثر والتي لازالت قائمة حتى يومنا هذا هي العمارة.

نقل المعماريون العرب الأشكال المختلفة للأقواس، كالقوس المدبب المستخدم في مسجد قبة الصخرة، والذي تأسس في عهد عبدالملك بن مروان في الدولة الأموية. ولم يكن القوس المدبب وحده ما تم نسخه، بل العديد من الأقواس وأشكال القباب وتركيبات الأسقف. وكان التأثير الأكبر في عهد دولة عبدالرحمن الداخل، والتي حظت فيها الأندلس بلقب العصر الذهبي. إذ انتقلت أساليب العمارة من إسبانيا إلى جنوب فرنسا، كما في بعض الكنائس الكاثوليكية والأضرحة. ويذكر كذلك في التاريخ أن الملوك الإسبان ذاتهم، كانوا يستعملون البنائيين المسلمين والمعماريين لتشييد قصورهم، مما أبقى على المدجنين حتى بعد أن انتهى الحكم الإسلامي لإسبانيا. وكان لاستعانتهم بالبنائيين المسلمين دليلًا واضحًا على تأثر الغرب بالحضارة والعمارة الإسلامية. وكذلك ثقتهم في جودة صنيعهم.

دور مدينة طليطلة في نشر الحضارة الإسلامية

وكانت طليطلة هي أول مدينة إسبانية يقوم القشتاليين باستعادتها عام 1085م، وأصبحت تستقطب العلماء والفلاسفة من كل مكان. حيث اشتهرت طليطلة في تلك الفترة بترجمة العديد من المخطوطات الإغريقية التي ترجمها وحافظ عليها المسلمون في عصرهم الذهبي إلى العربية ترجمةً إلى الإسبانية واللاتينية. فكانت طليطلة سبيل لاستعادة العلم، وتطوير أوروبا بعد ما عانته من عصور مظلمة. كما تُرجمت المخطوطات والابتكارات الإسلامية والتي توصل إليها العلماء المسلمين في مجالات مختلفة.

دور الحروب الصليبية في انتقال الحضارة الإسلامية

كان كذلك للحروب الصليبية دورٌ في نقل أساليب العمارة والبناء إلى أوروبا بعد عودة الحملات الصليبية، وما كان مثيرًا للسخرية. هو تسميتهم للمسلمين في تلك الفترة بـ “Saracenes”، وهي وصف ساخر مشتق من الكلمة العربية سارقين. ولم تكن الحروب فقط هي من نشرت أساليب العمارة الإسلامية والعربية في أوروبا، ولكن كان للتجارة أثرٌ في تبادل الثقافات. فكانت الموانئ بين مصر وبلاد الشام والعراق وإيطاليا شاهدة على نقل الحضارة العربية والإسلامية إلى بلاد الغرب.

كيف وصلت العمارة الإسلامية إلى أمريكا الشمالية؟

وبعد أن انتقلت الأساليب المعمارية إلى دول أوروبا، وخاصةً إلى إسبانيا، انتقلت إلى أمريكا الشمالية عن طريق الإسبان المهاجرين إلى المكسيك في نهاية القرن 15. وبعد ذلك في القرن 18 و19 إلى كاليفورنيا وأريزونا، ولكن تلك المرة عن طريق البعثات الكاثوليكية التي أرسلت من إسبانيا. وحتى يومنا الحالي فإن أسس العمارة الإسلامية التي سميت بشكلٍ خاطئ ومضلل باسم الأساليب القوطية، مؤثرة في العمارة الغربية. ليس فقط في المنشآت الدينية والأضرحة، بل كذلك في الجامعات العالمية المرموقة. ومن الجدير بالذكر أن العديد من المعماريين في الغرب لا زالوا يعترفون بفضل العمارة الإسلامية القديمة على العمارة في الماضي والحاضر.

ما هي أشهر المعالم التي تأثرت بأساليب العمارة الإسلامية؟

تميزت العمارة القوطية الحديثة ببعض السمات التي كانت نشأتها الشرق في الأساس، وكان من أبرز تلك السمات هي القوس المدبب. والذي ظهر لأول مرة في مسجد قبة الصخرة قبل أن يتم نقل ذلك الأسلوب إلى أوروبا. وهناك القوس الثلاثي، والذي تبنته القوطية كدلالة على الثالوث المقدس في كنائسها وأضرحتها. وعلى النقيض كانت كنيسة آيا صوفيا في تركيا ذات أقواس مستديرة، وتحولت بعد ذلك لمسجد في العهد العثماني. مما يؤكد على أن الأقواس المدببة ذات أصل عربي إسلامي.

ولا ينكر مهندسو أوروبا في يومنا الحالي أن الأقواس المدببة الظاهرة في الكنائس والأضرحة والعديد من الأبنية الأوروبية اليوم، ذات أصل إسلامي. كما تميزت كذلك بارتفاع أبنيتها وقبابها، وأعمدتها الشاهقة صغيرة القطر، على خلاف الأساليب القوطية القديمة، فهل يحق للعالم نسب تلك الأساليب للقوط. مع العلم أنها ظهرت في منشآتهم في القرن 10 الميلادي، أي بعد أن استخدمها العالم الإسلامي أولًا؟

كتب كرستوفر رن في محاولته لإثبات أصل العمارة الإسلامية خلفًا لوالده رن، حيث كان رأيه أن تلك التسمية الخاطئة تظلم العمارة الإسلامية، والتي يرى أنها أتت نتيجة لابتكار المسلمين مثلًا للأشكال الدائرية للأعمدة والأسقف، مخالفة لشكل الصليب المسيحي، والأساليب اليونانية التي اعتبرها المسلمون وثنية. كما اهتموا بالتزيين عن طريق الخطوط والأشكال الهندسية، لا الرسومات والمنحوتات التي كانت تميز الكنائس مثلًا. فكان من وجهة نظره أن قيام المسلمين بالمبادرة بإنشاء المساجد في كل مدينة يحكمونها قد ساهم في وضع بصمتهم المعمارية المميزة والمخالفة. وقد استعملها القوط بعدهم في أعمدتهم المتماثلة وأسقفهم الدائرية.

الأسقف والقباب

استلهمت أوروبا طرق بناء الأسقف والقباب من مصر وسوريا، حيث كانت المواد المستخدمة للأسقف كالرخام مثلًا شحيحة بسبب الحرب. فاستخدموا مواد أقل في الوزن لتساعد في تصميم الأسقف المرتفعة. وبعد أن انتهت الحروب الصليبية، أخذوا معهم ذلك الأسلوب الذي وجدوه فعالًا في بناء أسقف للكنائس بإتقانٍ وكفاءة عالية. وكان رأي رن في الأقواس المدببة، أنها أكثر ثبات عن تلك المدورة، وأنها تحتاج لأحجار أقل لتثبيت البناية، كما أنها تستطيع تحمل طبقة أخرى من الحجارة. فكان من أشهر الأماكن المبنية على الطراز الإسلامي هي تلك في فيينا وسانت ستيفن، وكاتدرائية ستراسبورغ بارتفاع عمودي. والتي بنيت بسرعة وارتفاع أشهق من تلك التي بنيت على الطراز الروماني الأفقي، والثقيل في تركيبه وبناءه.

مسجد قبة الصخرة و العمارة الغربية

ويعتبر مسجد قبة الصخرة رمز للهيمنة الإسلامية في القدس، حيث كان تصميم المسجد مختلفًا عن باقي تصاميم المنشآت الدينية. فكان القوس المدبب والقوس الثلاثي من أهم السمات الملحوظة في هندسة المسجد، والتي أثرت بشكلٍ كبير في العمارة حول العالم. ومن ثم أنشئت العديد من الكنائس والأضرحة على تلك الشاكلة، بل وبالعكس قامت الحضارة المسيحية بالتطوير والابتكار باستخدام تلك الأسس المستقاة من الحضارة الإسلامية. وأبدع المعماريون في استخدام أساليب وأنماط الهندسة التي تعلموها في الشرق الأوسط، وشيّدوا كاتدرائيات في غاية الجمال. ومن الأمثلة على ذلك كاتدرائية نوتردام في باريس.

كما كان القوس المدبب في جامع ابن طولون في مصر من أبرز سماته الهندسية، والذي تأثر به أحد الأساقفة البندكتيين عند زيارته لمصر. كما حاز تصميم مسجد بن طولون على إعجاب رئيس دير كلوني الفرنسي، لذلك أمرا ببناء أديرتهم وكنائسهم على نفس الشاكلة، بل واستقدموا العمالة ذاتها، لضمان دقة التصميم. وإثر ذلك، تحولت الأقواس في الطراز الإسلامي إلى صيحةٍ في تلك الفترة، حتى أن الكنائس أصبحت ذات نوافذ بأقواسً مدببة وثلاثية. ومن أبرز تلك الكنائس هي كاتدرائية كانتربري في إنجلترا. حيث استخدم المهندسون الأقواس الثلاثية في واجهة تلك الأيقونة المعمارية.

ويعتبر المسلمون هم أول من استعمل الأضلاع المنحنية في أسقف مساجدهم وقصورهم، وهي إحدى الأساليب الهندسية المعقدة. وبعد أن انتقل ذلك الأسلوب المعقد إلى البنائين المسيحيين، طوروه حتى وصل لأقصى درجات نضجه في سقف كنيسة كينجز كوليج شابيل في كامبردج. وأبدع المعماري كرستوفر رن في استخدام ذلك الأسلوب لبناء كاتيدرائية سانت بول.

القوس الخماسي

طور المسلمون بعد ذلك القوس الثلاثي إلى القوس الخماسي، كما هو في جامع قرطبة بالأندلس. ومن ثم طور إلى الأقواس المتعددة في القوس ذاته. والتي أضافت الجمال على المساجد والقلاع الإسلامية. والتي استخدمها بعد ذلك المعماريون في الكناس والأضرحة، وكانت تلك الأساليب البسيطة ديليل على تأثر الغرب بالحضارة الإسلامية في الأندلس والعمارة التي أثبتت صلابتها على مر العصور.

ولا يمكننا اعتبار ما حدث سابقًا سرقة للحضارة، وإنما هي تبادل ثقافي وتأثر بالغير، وما لا يمكن إنكاره كذلك هو أن أساليب العمارة الإسلامية لم تنشأ من العدم. ولكنّها تأثرت بالحضارات السابقة كالحضارة البيزنطية، والفارسية، والحضارة اليونانية التي سبقت الإسلام. وقد قام المسلمون بتطويرها وتحديث أساليبها.

وسواءً تبادلت الحضارات التأثير نتيجة لحرب، أو تجارة، أو هجرةٍ واستيطان، فإن تبادل الثقافات هو ما يساعد على تطورها والإبداع فيها. ولو كان إحدى اشتقاقات كلمة Saracenes قد يكون مشتقًا كذلك من كلمة شرقيين، فمن غير العدل وصف ما حدث بالسرقة، ولكن بالتأكيد ساهمت الحضارة الإسلامية في تشكيل الحضارة الغربية. ولا يمكن إنكار تأثر الغرب بالحضارة والعمارة الإسلامية. وأن تبادل الحضارات والانفتاح الثقافي ووضع الهوية هو ما يصنع الحضارة ذاتها.

المصادر:

1-stealing from the saracens: How Islamic Architecture Shaped Europe Book

دليلك لفهم خوارزمية أدم ADAM التحسينية الأكثر استخدامًا في التعلم العميق

هذه المقالة هي الجزء 12 من 12 في سلسلة أشهر الخوارزميات التحسينية المستوحاة من الطبيعية

اختيارك للخوارزمية التحسينية المناسبة لتدريب نموذجك للتعلم العميق، يعني مباشرة اختيارك جودة ومدة التنفيذ. فاختيارك هذا له الكلمة الفصل في قدرتك على الحصول على نتائج في دقائق، أو ساعات، أو حتى أيام. أو ربما عدم حصولك على نتيجة خلال فترة حياتك. ومن بين هذه الخوارزميات، نجد أن خوارزمية أدم ADAM هي أحد أكثر الخوارزميات التحسينية استخدامًا في مجال التعلم العميق. وتحديدًا في تدريب الشبكات العصبية الاصطناعية. وقد أشرنا سابقا أن خوارزمية النزول التدرجي ومتحوراتها هم الأكثر استخدامًا في هذا المجال، لكن ما لم نذكره هو أن خوارزمية أدم ADAM هي متحور من متحورات خوارزمية النزول التدرجي. وبالتحديد خوارزمية النزول التدرجي التصادفية Stochastic Gradient descent.

وقد استخدمت خوارزمية النزول التدرجي التصادفية SGD في السنوات الأخيرة بشكل مكثف وكبير في فروع عديدة من الذكاء الاصطناعي، لعل أبرزها هما الرؤية الحاسوبية computer vision، ومعالجة اللغة الطبيعية Natural Language Processing.

ما هي خوارزمية أدم ADAM؟

أصول خوارزمية أدم ADAM

ابتُكرت خوارزمية أدم بهدف استبدال خوارزمية النزول التدرجي التصادفية، وذلك، تحديداً في عملية تدريب نماذج التعلم العميق deep learning. وقد تم اقتراح هذه الخوارزمية من طرف دايديريك كينغما Diederik Kingma رائدة المجال OpenAI و جيمي با Jimmy Ba من جامعة تورونتو سنة 2015 في ورقة بحثية في مؤتمر ICLR باسم “أدم: طريقة للتحسين التصادفي”، Adam: a method for stochastic optimization. تم تسمية هذه الخوارزمية أدم اختصارًا ل: ADAptive Moment estimation <=> ADAM.

مميزات الخوارزمية

في تقديمهم لخوارزمية أدم، وضح الباحثان مميزات هذه الخوارزمية في التعامل مع المشاكل غير المحدبة، أي دالتها الهدف غير محدبة non-convex objective function. من بينها:

سهولة تنفيذ الخوارزمية.
كفؤة حوسبيًا computationally efficient.
استهلاك ضعيف للذاكرة.
غير حساسة لإعادة القياس القطري للتدرجات. أي أنها غير حساسة لضرب متجهة التدرج في مصفوفة قطرية موجبة العوامل. لكونها تستعمل المشتقات الجزئية، بدلًا من التدرج الذي تستعمله خوارزمية النزول التدرجي التصادفية.
منسابة عند تعدد المتغيرات وكبر عينات البيانات.
جيدة مع المشاكل غير الثابتة، أي فضاء البحث متغير بدلالة الزمن.
فعالة عند وجود تشويش يؤثر على قيم التدرج.
المتغيرات الأساسية في التحكم في التنفيذ، أي المعلمات الفائقة hyperparameters، بديهية ولا تحتاج ضبط معقد. وضبط هذه الأخيرة parameter tuning يعد مشكلةً تحسينيةً هو الأخر، ونستعمل خوارزميات تحسينية لضبطها عند الحاجة.

آلية عمل أدم

تختلف أدم عن خوارزمية النزول التدرجي التصادفية. لكونها تأخذ معدل تعلم بارامتري، أي معدل تعلم يتغير بدلالة متغيرات معينة. معدل التعلم هذا هو حجم الخطوة عند كل دورة تكرار تقليص للدالة الهدف. راجع(ي) المقال السابق لتوضيح أكبر: تعرف على خوارزمية النزول التدرجي الأشهر في الخوارزميات التحسينية.

يتم تحديد معدل التعلم، أو حجم الخطوة هذا، انطلاقا من تقديرات العزم الأول والثاني للتدرج. فيصف الباحثان هذه الخوارزمية بكونها دمجًا بين إثنتين من سابقتيها، واللتان بدورهما من متحورات خوارزمية النزول التدرجي التصادفية وهما:

خوارزمية التدرج المتأقلم

Adaptive Gradient Algorithm، أو AdaGrad: والتي هي الأخرى تستعمل حجم خطوة متغير لتعزيز أدائها في حل المشاكل ذات التدرج الضئيل. ما يعني في التعلم العميق أن الشبكة لا تستقبل إشارات كافية لضبط أوزانها. ومن أمثلة هذه المشاكل نجد: معالجة اللغة الطبيعية NLP، و الرؤية الحاسوبية، وغيرها.

خوارزمية انتشار جذر متوسط المربع

Root Mean Square Propagation، أو RMSPropa: التي أيضًا تستعمل خطوة متغيرة. ذلك التغير، بدلالة متوسط مُضمحل للتدرجات الجزئية. ما يعني أن أداء هذه الخوارزمية جيد عند مواجهتها لمشاكل ذات فضاء بحث متغير زمنيًا، أو عند وجود تشويش يغير من قيم التدرج.

كيف تجمع أدم ADAM فوائد هاتين الخوارزميتين؟

فبدلاً من تكييف معدلات التعلم لمتغيرات الدالة الهدف بناءً على متوسط العزم الأول average first moment كما هو الحال في RMSProp، تستخدم آدم أيضا متوسط العزوم الثانية للتدرجات Uncentered variance.

وباستعمال العزم فإننا نتمكن من التحكم في مقدار النزول التدرجي بطريقة تكون فيها التذبذبات عند أدنى قيمها عند اقترابنا للحل الأمثل، أي تقلص حجم الخطوات كلما أصبحنا أقرب للحل الأمثل. بينما يكون حجم الخطوة معتبرًا عند اقترابنا لحل محلي.

رياضيات

العزم

يستعمل العزم لتسريع النزول التدرجي.

تعبر (t)W عن قيمة الأوزان في لحظة t. يمثل ألفا درجة التعلم، أي حجم الخطوة الحالي. كما تمثل (t)m مجموع التدرجات عند اللحظة t.

تمثل (t)m مجموع التدرجات عند اللحظة t أي الدورة الحالية، بينما (t-1)m تعبر عن هذا المجموع في الدورة السابقة. dL هي مشتقة الدالة الهدف، (t)dW مشتقة الأوزان عند اللحظة t. بيتا هي المتغير المتحرك (مفهوم إحصائي).

انتشار جدر متوسط المربع RMSProp

تمثل ε ثابتة صغيرة لتجنب القسمة على صفر.

أدم

انطلاقا من معادلات الطريقتين أعلاه، نتحصل على:

متجهة العزم الأولى (t)m. متجهة العزم الثانية (t)v.

نظرًا لأن كل من mt و vt قد تم تصفيرهما بدئيًا، وكذلك لكون β1 و β2 تأخد قيم تقارب 1، لوحظ تجريبيًا أنهما يكتسبان تحيزًا نحو الصفر. لإصلاح هذا نقوم بحساب قيم تصحيحية. ويتم حساب هذه القيم أيضًا للتحكم في الأوزان عند قرب وصولنا للحل الأمثل وذلك لمنع التذبذبات عالية التردد. والصيغ المستخدمة هي:

ما يمكننا من استبدال mt و vt بقيم مصححة:

نجد (t)w قيم النقطة الحالية عند اللحظة t.

الأداء العملي

لكونها مبنية على نقاط قوة سابقاتها، فإن خوارزمية أدم ADAM هي أحد أفضل الخوارزميات التحسينية على الإطلاق، وذلك إن لم تكن أصلا أفضلها. فنجد أن هذه الخوارزمية تقدم أداء أعلى بهامش كبير من أداء نظيراتها، بحيث تتفوق عليهم لا من حيث كلفة تدريب النماذج فقط بل ومن حيث الأداء السريع والعالي.

يبين المنحنى أداء مجموعة من الخوارزميات بالمقارنة مع أداء خوارزمية أدم في التدريب التحسيني لشبكة عصبية متعددة الطبقات على صور MNIST. المصدر غووغل.

مصادر

ما هي تقنية النانو وكيف بدأت؟

غالبًا ما تؤدي الأحلام والخيال البشري الخصب إلى ظهور علوم وتقنيات جديدة تماماً. ومن رحم هذه الأحلام كانت تقنية النانو ملتقى الخيال العلمي مع الحقيقة. فما هو النانو؟ وما هي تقنية النانو؟ كيف بدأت؟ وإلى أين تتجه اليوم في القرن الحادي والعشرين؟

ما هو النانو “NANO”؟

قبل أن نبدأ الحديث عن تقنية النانو لنلقي نظرة عن مفهوم النانو. تُشتق البادئة “nano” من الكلمة اليونانية القديمة “nanos” والتي تعني القزم. أما اليوم فتستخدم على مستوى العالم كبادئة تعني عامل بالشكل (9-)^10. وإذا قرنت كلمة نانو مع كلمة متر ستجلب مصطلح النانو متر والذي يشير إلى وحدة قياس مكاني تساوي جزء واحد من مليار جزء من المتر أو من (وحدة القياس).

اقتُراح مفهوم “النانومتر” لأول مرة من قبل “ريتشارد أدولف زيجموندي – Richard Adolf Zsigmondy”، الحائز على جائزة نوبل عام 1925 في الكيمياء، لوصف حجم الجسيمات.

لمساعدتكم في تخيل النانومتر نستعرض المثال التالي:

لنفرض أننا قطعنا متراً إلى 100 قطعة متساوية، فسيكون حجم كل قطعة سنتيمتراً واحداً هذا يعادل حجم مكعب السكر. إذا قطعنا السنتيمتر إلى مائة قطعة متساوية، فستكون كل قطعة مليمترًا واحدًا. يتراوح حجم حبة الرمل من 0.1 مم إلى 2 مم. ويمكن رؤية الأشياء الصغيرة مثل المليمتر بالعين المجردة ولكن عندما تقل أبعاد الجسم عن المليمتر فقد يكون من الصعب تمييزها.

إذا قمنا بتقطيع المليمتر إلى مائة قطعة متساوية فسيكون طول كل قطعة ميكرومتراً. ويبلغ قطر الشعرة من 40 إلى 50 ميكرومتراً. وعادة لا يمكن رؤية الأشياء على هذا المقياس بأعيننا، بل يمكن تصورها باستخدام عدسة مكبرة أو مجهر ضوئي.

إذا قطعنا ميكرومتراً إلى ألف قطعة متساوية، فسيكون طول كل قطعة نانومتراً! وعندما تكون الأشياء صغيرة إلى هذا الحد لا يمكننا ملاحظتها بأعيننا أو بالمجهر الضوئي. وتتطلب هذه الأشياء الصغيرة أداة خاصة للتصوير. إذ يبلغ الحمض النووي 2 نانومتر، والذرات تكون أصغر من نانومتر. فالذرة الواحدة تبلغ قرابة 0.1-0.3 نانومتر، اعتمادًا على نوع العنصر.

توضيح لمقياس النانومتر مقارنة بحجوم المواد

ما هي تقنية النانو؟

تعرف بأنها أي تقنية تتم على مواد من المقاييس النانوية، فهي العلوم والهندسة والتكنلوجيا التي يتم إجراؤها على نطاق 1 – 100 نانومتر. وتتيح فهم المواد والتحكم بخواصها على المستوي الذري والنووي للتخطيط لعناصر جديدة تنتج ظواهر جديدة لتطبيقات جديدة. حيث تظهر المواد المعدلة على المستوي النانوي خصائص (فيزيائية، وبصرية، وحرارية، وميكانيكية، وكهربائية، وإلكترونية، وغيرها…) فريدة وجديدة تماماً.

تقسم المكونات النانوية إلى هياكل بحسب أبعادها كالتالي:

العناقيد النانوية: هي هياكل تتراوح من 1 إلى 100 نانومتر في كل بُعد مكاني. يتم تصنيف هذه الهياكل على أنها هياكل نانوية صفرية البعد 0D.
الأنابيب النانوية والأسلاك النانوية: لها قطر بين 1 و100 نانومتر وطول يمكن أن يكون أكبر من ذلك بكثير. ويتم تصنيف هذه الهياكل على أنها هياكل نانوية أحادية البعد 1D.
السطوح ذات النسيج النانوي أو الأغشية الرقيقة: يتراوح سمكها بين 1 و100 نانومتر، في حين أن البعدين الآخرين أكبر بكثير. ويتم تصنيف هذه الهياكل على أنها هياكل نانوية ثنائية الأبعاد2D .
أخيرًا، المواد الضخمة: ذات الأبعاد التي تزيد أبعادها الثلاث عن 100 نانومتر من الهياكل السابقة تسمى الهياكل النانوية ثلاثية الأبعاد 3D.

ما مقدار أهمية تقنية النانو اليوم؟

تعلمنا تقنية النانو فهم العالم الذي نعيش فيه وتمكننا من فعل أشياء مثيرة للاهتمام عندما ننتقل للمقاييس النانوية.

فعلم النانو وتقنياته يمكن أن يساعدا في إعادة تشكيل العالم من حولنا. إذ نعلم أن كل شيء من حولنا يتكون من ذرات _ الطعام، الملابس، الأبنية، وأجسادنا _ مرتبة بطريقة محددة لتقوم بوظائف محددة، يمكننا أيضًا باستخدام علوم وتقنيات النانو التلاعب وإعادة ترتيب الأجزاء في المواد المختلفة لإنتاج نماذج محددة تقوم بوظائف محددة.

وهناك قضية مهمة لنأخذها في الحسبان وهي أن خصائص الأشياء تتغير عندما تصبح أصغر. بالتالي، عندما يتم التلاعب بالمادة وإعادة تنظيمها على مقياس النانو، سيتمكن العلماء من ضبط خصائص المادة بدقة.

تاريخ تقنيات النانو

منذ حوالي النصف قرن لم تكن تقنية النانو أكثر من مجرد خيال علمي، ثم في عام 1959 قدم الفيزيائي ريتشارد فاينمان الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء خلال اجتماع للجمعية الفيزيائية الأميركية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (CalTech) محاضرة عن مفهوم التلاعب بالمادة والتحكم بها على المستوي الذري. خلق فاينمان بذلك نهجًا جديدًا للتفكير، وبدأت رحلة إثبات صحة فرضياته منذ ذلك الحين. ولهذا السبب يعتبر المؤسس الأول لتقنية النانو.

بعد أكثر من عقد من الزمان، صاغ البروفيسور ” Norio Taniguchi ” مصطلح تقنية النانو (nano-technology).

ومع ذلك، فإن العصر الذهبي لتقنية النانو بدأ فقط في عام 1981، عندما تم تطوير واستخدام مجهر المسح النفقي الذي مكننا من رؤية الذرات الفردية. وشهدت بداية القرن الحادي والعشرين اهتمامًا متزايدًا بالمجالات الناشئة في علم وتقنيات النانو. ففي الولايات المتحدة دعا الرئيس السابق بيل كلينتون إلى تمويل الأبحاث في هذه التقنية الناشئة خلال خطاب ألقاه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في 21 يناير 2000.

وبعد ثلاث سنوات وقع الرئيس جورج بوش على قانون البحث والتطوير في مجال تكنولوجيا النانو للقرن الحادي والعشرين. وقد جعل هذا التشريع لأبحاث تقنيات النانو أولوية وطنية وخلق مبادرة تقنية النانو الوطنية (National Nanotechnology Initiative) (NNI) والتي لا زالت قائمة حتى اليوم.

حاضر ومستقبل تقنيات النانو

في إطار زمني يقارب النصف قرن، أصبحت تقنية النانو الأساس لتطبيقات صناعية رائعة.

اليوم:

تؤثر تقنية النانو على حياة كل إنسان، والفوائد المحتملة منها كثيرة ومتنوعة. ونرى أنها تدخل في العديد من القطاعات مثل:

إدارة وسلامة الغذاء والصناعات الغذائية ومستحضرات التجميل لتحسين الإنتاج ومدة الصلاحية والتوافر البيولوجي وغيرها…
إدارة البيئة وتنظيفها وهي واحدة من أكبر مشاكل العالم الحقيقي وأكثرها إلحاحا. ستساعد تقنية النانو في حماية البيئة والمناخ من خلال توفير الطاقة والمياه وتقليل الغازات الدفيئة والنفايات الخطرة مع زيادة متانة المواد التي تدوم لفترة أطول وتقلل إنتاج النفايات، وإنتاج الطاقة المتجددة والمستدامة.
قطاع التقنيات الرقمية وتعتبر المدخل الرئيسي لعالم رقمي أصغر وأكثر كفاءة.
القطاعات الصحية فهي اليوم تستخدم للوقاية التشخيص والعلاج. وتزيد تقنية النانو من فعالية التصوير الطبي التشخيصي مما يجعل العلاجات أكثر فعالية.
ونرى اليوم الكثير من المحاولات لتطوير أنظمة توصيل الدواء للعديد من الأمراض وخاصة دون المستوي الذري. حيث يساعد تغليف الجسيمات النانوية على توصيل الدواء مباشرة للخلايا السرطانية. كما يقلل مخاطر تلف النسج السليمة، مما يغير بشكل جذري الطريقة الحالية المتبعة لعلاجات السرطان. ويقلل بشكل كبير من الآثار السامة للعلاج الكيميائي.

في المستقبل:

فيعتبر العصر الناشئ في الطب هو ” طب النانو” وحصرًا عصر ” الروبوتات النانوية ” التي يمكنها إكمال المهام بطريقة آلية. وتتمتع الروبوتات النانوية بالقدرة على الاستشعار وتمييز الصديق من العدو والاستجابة بتقديم حمولاتها الدوائية وذلك كله على مستوى النانو.

وتسخر تقنية النانو اليوم التقدم الحالي في الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد والتقنيات الحيوية لإنشاء مواد جديدة لها خصائص فريدة بفعل هياكلها المحددة على مقياس النانومتر.

كما أدت البحوث العلمية في هذه الأفكار وغيرها على مستوى النانو إلى ابتكارات مثيرة للاهتمام. ورغم ذلك لا تزال تقنية النانو في مرحلة الاستكشاف المبكرة جداً، ولكنها تتطور بشكل سريع. فرغم أن آليات مكافحة الأمراض دون الذرية كانت خيالًا علميًا لعقود من الزمن، فقد اقتربنا اليوم من جعل هذه الفكرة حقيقة. وعلى الرغم من الطبيعة المعقدة للمواد النانوية إلا أن مستقبل تقنية النانو يبدو مشرقاً جداً.

المصادر:

.Haick, P. H. (2013). Nanotechnology and Nanosensors
JE Hulla, S. S. (2015). Nanotechnology: History and future. Human and Experimental Toxicology, p. 42
.kohler, J. M. (2021). Challenges for Nanotechnology. Encyclopedia
.Sakhare, D. (2022). Nanotechnology Applications in Science and Technology

ما هو علم البالستيات؟

تؤثر البالستيات في العديد من مجالات الدراسة، والتي تتراوح من تحليل منحني مسار كرة البيسبول إلى تطوير أنظمة توجيه الصواريخ في الجيش. [2]

لنتعرف في هذا المقال على علم المقذوفات ومجالات دراسته.

علم «البالستيات-Ballistics» (القذائف)

هو العلم الذي يدرس حركة وتأثير المقذوفات. ويقسم إلى عدة تخصصات، وهي البالستيات الداخلية والخارجية، وتبحثان في دفع وطيران المقذوفات. ويسمى الانتقال بين هذين النظامين البالستيات الوسيطة. والبالستيات النهائية، وتدرس تأثير المقذوفات على الأجسام المستهدفة.

و«القذيفة-Projectile» هي الجسم الذي تم إطلاقه أو إسقاطه، والذي يستمر في الحركة بسبب عطالته. ويحدد مسارها بواسطة سرعتها الابتدائية واتجاهها وقوى الجاذبية ومقاومة الهواء. فمثلاً، بالنسبة للأجسام المقذوفة بالقرب من الأرض ومع مقاومة هواء مهملة، يتخذ المسار شكل قطع مكافئ. [1]، [2]

دفع القذائف

تعد البندقية والمحرك الصاروخي مثلًا نوعان من المحركات الحرارية، يحوّلان جزئيًا الطاقة الكيميائية للوقود الدافع إلى طاقة حركية للقذيفة. وتختلف المواد الدافعة عن أنواع الوقود التقليدية من حيث أن احتراقها لا يتطلب الأوكسجين الجوي. ويؤدي إنتاج الغازات الساخنة عن طريق الوقود المحترق إلى زيادة الضغط الذي يدفع القذيفة ويزيد من معدل الاحتراق. كما تسبب الغازات الساخنة تآكل تجويف البندقية.

عندما تشتعل شحنة المادة الدافعة في حجرة البندقية، تحصر غازات الاحتراق بواسطة الطلقة؛ فيرتفع الضغط. وتبدأ الطلقة في التحرك عندما يتغلب الضغط على مقاومتها للحركة. يستمر الضغط في الارتفاع لبعض الوقت ثم ينخفض، وذلك بينما تسرّع الطلقة لتصل إلى سرعة عالية. سرعان ما ينفد الوقود الدافع الذي يحترق بسرعة، وفي الوقت المناسب تخرج الطلقة من الفوهة. وقد سجّلت سرعات تصل إلى 15 كيلومترًا (9 أميال) في الثانية. تعمل البنادق المقاومة للارتداد على تنفيس الغاز عبر الجزء الخلفي من الحجرة لمقاومة قوى الارتداد.

يحدث الانفجار الأولي الذي يسبق خروج الطلقة، ثم يتبعه الانفجار الرئيسي، حيث تطلق الغازات المضغوطة خلف الطلقة. يتخطى التدفق الغازيّ السريع الطلقة لفترة وجيزة وبالتالي قد تعاني من تذبذب شديد. وتسمع موجة الصدمة الانفجارية، التي تنتقل إلى الخارج بسرعة أكبر من سرعة الصوت، كطلقات نارية. وتتسبب الحرارة المتولدة قرب الفوهة في حدوث وميض تصاحبه ألسنة اللهب في المدافع الكبيرة. كما يمكن تثبيت الأجهزة على الفوهة لكتم الانفجار والوميض عن طريق تشتيت موجات الصدمة، ويمكنها تقليل الارتداد عن طريق تشتيت التدفق. [1]

تعرّف البالستيات الوسيطة أو الانتقالية بأنها حالة انتقالية بين البالستيات الداخلية والخارجية قرب الفوهة. إذ يدل انبعاث الغاز من السبطانة أمام القذيفة وتفريغ الغازات الدافعة خلفها على هذه التغيرات الانتقالية. وفي هذا الصدد، فإن التأثير على مغادرة القذيفة للمدفع واستخدام زخم الغازات الدافعة لهما أهمية خاصة. [3]

السقوط الحر للأجسام

لفهم حركة المقذوفات من الضروري أولاً فهم حركة «السقوط الحر-Free Fall» للأجسام، وهي أجسام نسقطها ببساطة من ارتفاع معين فوق الأرض. في أبسط الحالات، عندما تكون مقاومة الهواء مهملة وعندما تكون الأجسام قريبة من سطح الأرض، بيّن الفلكي والفيزيائي الإيطالي «جاليليو جاليلي-Galileo Galilei» (1564-1642) أن جسمين يسقطان نفس المسافة وفي نفس الفترة الزمنية، بغض النظر عن وزنيهما. تزيد سرعة الجسم الساقط زيادات متساوية في فترات زمنية متساوية. على سبيل المثال، ستبدأ الكرة التي تسقط من أعلى مبنى من السكون، وتزيد سرعتها إلى 32 قدمًا (9.8 مترًا) في الثانية بعد ثانية واحدة، ثم إلى سرعة 64 قدمًا (19.6 مترًا) في الثانية بعد ثانيتين، ثم إلى سرعة 96 قدمًا (29.4 مترًا) في الثانية بعد ثلاث ثوانٍ، وهكذا. وبالتالي، نجد أن التغير في السرعة هو دائمًا 32 قدمًا في الثانية. يعرف التغير في السرعة لكل فترة زمنية بالتسارع وهو ثابت. ويساوي هذا التسارع 1 g حيث يرمز g إلى التسارع الناتج عن قوة الجاذبية الأرضية.

يصبح تسارع الجاذبية g أصغر مع زيادة المسافة عن الأرض. ولكن بالنسبة لمعظم التطبيقات الأرضية يمكن أن نعد قيمة g ثابتة (تتغير فقط بنسبة 0.5٪ مع تغير الارتفاع بمقدار 10 أميال [16 كم]). من ناحية أخرى يمكن أن تختلف «مقاومة الهواء-Air Resistance» اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على الارتفاع والرياح وخصائص وسرعة المقذوف نفسه. فمن المعروف أن المظلّيّين يمكنهم تغيير ارتفاعهم بالنسبة إلى المظليين الآخرين ببساطة عن طريق تغيير شكل أجسامهم. ومن المعروف أيضًا أن الصخرة ستسقط بسرعة أكبر من سقوط الريشة. فعند البحث في مسائل المقذوفات، من الضروري فصل التأثيرات الناتجة عن الجاذبية -وهي بسيطة جدًا- والتأثيرات الناتجة عن مقاومة الهواء، وهي أكثر تعقيدًا. [2]

المصادر

[1]

[2]

[3]

ما هي خوارزميات التخمير المحاكى وكيف تعمل؟

هذه المقالة هي الجزء 6 من 12 في سلسلة أشهر الخوارزميات التحسينية المستوحاة من الطبيعية

خوارزميات التخمير(التلدين) المحاكى simulated annealing هي أحد أقدم الخوارزميات المستوحاة من الطبيعة و كذلك من أكثرها استخدامًا. وتعتمد في عملها على البحث العشوائي لبناء مسارات تأخدنا للحل الأمثل. وتحاكي خوارزميات التخمير عملية التلدين في معالجة المواد المعدنية. ففي الصناعات المعدنية، تتميز عملية التخمير بعدد من الخصائص مثل درجة الحرارة و سرعة التبريد. ويخلق هذين المفهومين حرفيًا نتيجة العملية الصناعية، بحيث يحددان الجودة والتركيبة الكريستالية للمعدن الناتج. أي بأقل استهلاك طاقي، وأكبر حجم بلورات، وأقل كم من الشوائب.

تتكون البنية البلورية من مجموعة من الذرات مرتبة بطريقة معينة في الشبكة البلورية.

تسمى هذه العملية (عملية التلاعب الدقيق في درجة الحرارة و معدل التبريد) بجدولة التلدين.

آلية عمل خوارزميات التخمير المحاكى

منذ أن تم تطوير خوارزميات التلدين المحاكى simulated annealing أول مرة من طرف كيركباتريك S. Kirkpatrick وزملائه، تم تطبيقها في مختلف مجالات الحوسبة التحسينية optimization. فأتت الاستعارة أو المجاز في تسمية هذه الخوارزميات من خصائص التلدين في معالجة المعادن وذلك رغم أن هذه الخوارزميات، في جوهرها، تشبه أكثر خوارزميات متروبوليس الكلاسيكية التي تم تطويرها من طرف نيكولاس ميتروبوليس N. Metropolis وزملائه.

**الرواية**، عملية تبريد سريع لمعدن شديد السخونة بواسطة تغطيسه المفاجئ في سائل

أفضلية خوارزميات التلدين المحاكى

على خلاف الخوارزميات التي تتبنى، في معالجة مدخلاتها، طريقة تدرجية gradient-based approach. و الخوارزميات البحثية القطعية deterministic search methods، التي تخسر إثر وقوعها في حل محلي local optima وتفقد قدرتها على التقارب باتجاه الحل الأمثل global optima. تمتاز خوارزميات التخمير المحاكى بقدرتها على تجنب الوقوع في هذه المشكلة. وقد ثبث ذلك تجريبيًا، فخوارزميات التخمير المحاكى دائمًا ما تتقارب نحو الحل الأمثل global optima إن تم توفير عشوائية كافية وسرعة تبريد بطيئة معًا. يرجع هذا جزئيًا لكون هذه الخوارزميات تعتمد سلسلة ماركوف Markov chain التي توفر إمكانية التقارب عند تحقق شروط معينة.

مجازًا، تكافئ عملية التقارب هذه إسقاط عدد من الكرات المطاطية المرتدة فوق مساحة إسمنتية ذات تضاريس متنوعة، بينما تقفز وترتد هذه الكرات فتخسر كم من طاقتها الحركية وبالتالي تتدحرج بعد عدد من الوثبات وتستقر في النقطة الأكثر إنخفاضًا في محيطها أي الحل المحلي الأمثل local optima. لكن إن تم تمكين هذه الكرات من الوثب لمدة أطول وخسارة طاقتها الحركية ببطء كاف، سنجد أن عدد منها لن يسقط فقط للحلول المحلية بل تسقط نحو أخفض نقطة على الإطلاق، أي أنها تتقارب نحو الحل الأمثل global optima. في حالتنا هذه نسمي هذا الحل بالحل الأدنى global minimum.

سلسلة ماركوف

الفكرة الأساس في خوارزميات التخمير المحاكى هي استخدام البحث العشوائي على شاكلة سلسلة ماركوف. وهذه السلسلة، سلسلة ماركوف، هي عبارة عن نموذج عشوائي stochastic model مبني على العمليات العشوائية. وتصف تلك العمليات العشوائية سلسلة من الأحداث الممكنة. بحيث كل حدث يعتمد احتمال حدوثه فقط على مخرجات سابقه، أي الحدث الذي قبله. في هكذا إطار، لا يحتاج التكهن بمستقبل الأحداث إلى الماضي بل فقط للحاضر. أي مخرجات الحدث الذي شهدناه، والمستقبل هو الحدث الذي يليه.

نلاحظ حدثين E و A كل حدث يخرج منه عدد من الأسهم باتجاه حدث أخر أو تجاه نفسه. وكل سهم مسمى باحتماليته أي احتمالية الانتقال من الحدث الحالي إلي الحدث التالي والذي يشير إليه السهم. بالطبع السهم المرتد لنفس الحدث يعني احتمال عدم تغير الحدث.

لكون خوارزميات التخمير المحاكى تستعمل في مقاربتها للوصول للعشوائية على سلسلة ماركوف، لا تبقي فقط على الحلول الأحسن في كل جولة تكرار بل أيضًا تحتفظ بعدد من الحلول التي لا تحسن الملائمة، أي حلول أسوء. و هذا أفضل نظرًا لتحقيقه عشوائية وتنوع فائقين.

هذا النهج ممنهج باستخدام دالة إحتمالية p، وهذه الدالة هي بالطبع التي تحدد احتمالية الانتقال من حدث لأخر أي في حالتنا هنا احتمالية قبول الحلول الأسوء إن صح التعبير. فإن لم يتم تقييد وتقنين طريقة الاختيار والإبقاء على الحلول الرديئة، فسنخلق فوضى غير مضمونة النتائج. أي سنضيع قدراتنا الحوسبية بلا فائدة. وبما أن هذه الخوارزميات في أساسها مبنية على نظرية فيزيائية طبيعية، وكل الظواهر الفيزيائية أو أغلبها منمذجة. نستطيع أن نستعمل كدالة احتمالية p المعادلة، المستلهمة من نظيرتها الفيزيائية في الديناميكا الحرارية، التالية:

تمثل T درجة الحرارة. Δf هي الفرق بين ملائمة الحدث الأصل والحدث التالي أي الحدث الذي يشير إليه السهم كما هو موضح في المثال السابق. exp بالطبع هي الدالة الأسية. r هي العتبة التي نضعها لقبول الاحتمال أو تفنيده. فإن لم يتجاوز الاحتمال هذه العتبة، يتم اعتباره صفرًا وبالتالي لن يكون هناك سهم أصلا بين الحدثين.

خطوات التنفيذ

الخطوة الأولى

نبدأ أولًا بوضع ساكنة بدئية S. و كذلك درجة حرارة بدئية T. يمكن اختيار هذه الحرارة ابتداءً من عدد كبير وتتناقص مع الوقت، لتصل إلى الصفر. أو نختارها من واحد وتتناقص إلي أجزاء من الصفر، على سبيل المثال من 1 إلي 0.00001.

الخطوة الثانية

وضع قاعدة تناقص درجة الحرارة. هذه الخطوة مهمة لأنها تحدد سرعة التبريد، والتي ناقشنا أهميتها سابقًا. قاعدة أو ‘دالة’ تناقص الحرارة يتم التوصل إليها حسب الحاجة. عمومًا هناك ثلاث طرق للوصول لهكذا دالة و هي بسيطة كالتالي:

1. التناقص الخطي

أي عند كل تكرارة تتناقص الحرارة بقيمة ‘ألفا’ محددة.

2. التناقص الهندسي

أي عند كل دورة، يتم ضرب قيمة الحرارة في معامل ألفا أصغر من واحد وأكبر من الصفر. يعني هذا أننا نقوم بإعدام قيمة الحرارة بنسبة معينة كل مرة. بحيث ‘ألفا’ تمثل النسبة التي سنبقي عليها عند كل تكرار. مثال: إن كانت ألفا تساوي 1/3 يعني أننا نبقي فقط على ثلث درجة الحرارة السابقة.

3. قاعدة التناقص البطيء

كونها تحمل هذا الإسم لا يعني أنها أبطأ في جميع الحالات. لأن المعملات ‘ألفا’ و’بيتا’ هي من تحدد سرعة التناقص. وفي هذه الحالة يتم وضع ‘بيتا’ تحكيميًا.

الخطوتين السابقتين، الأولى والثانية، تمثلان ما أطلقنا عليه سابقا بجدولة التلدين.

الخطوة الثالثة

تتمثل في تكرار الخطوة الرابعة عدد من المرات. فعند كل دورة، نستخدم دالة تناقص الحرارة التي وضعناها في الخطوة الثانية. وتتوقف هذه العقدة، أي الدائرة المغلقة من التكرارات، عند الوصول لأحد شروط الانتهاء. منها الوصول لدرجة الحرارة الدنيا أو الوصول لحل مقبول حسب معايير استخدامنا.

الخطوة الرابعة

لكل فرد من أفراد الساكنة الحالية، أي نقطة من نقط الحلول الممكنة التي تشكل الفضاء متعدد الأبعاد الذي يعبر عن ساكنة الجيل الحالي، نقوم بإيجاد نقطة في جواره و مقارنته معها أي حساب احتمالية الانتقال بالاستعانة بالدالة p. ويمكن تحديد هذه النقطة المجاورة بعدد من الطرق المختلفة، على سبيل المثال، وبما أن كل حل عبارة عن نقطة في فضاء نقوم بتغيير بقيمة معينة أحد قيم إحداثياتها لإنشاء نقطة أخرى. أو عشوائيًا بزيادة أو نقص عدد من قيم الإحداثيات في أن واحد، إلخ.

تمثل p دالة احتمال قبولنا للحل الناتج. فإن كانت أصغر من 1 نتحقق ما إن كانت أكبر من العتبة التي وضعناها، إن كانت كذلك نختار الحل الناتج. إن لم نضع عتبة أصلا نقوم بتوليدها عشوائيا عند كل اختبار. إن كانت تساوي 1 نختار الحل الجديد بالطبع. t هي درجة الحرارة الحالية.
و Δc هي الفرق ببن الحل الحالي والجديد.

الحل الأقل قيمة هو الأفضل هنا وليس العكس، لكوننا نبحث عن النقطة الدنيا. يجدر الذكر أنه ليس هنالك فرق بين إيجاد القيمة الدنيا والقيمة القصوى. لأنه لو أردنا إيجاد القيمة القصوى يكفي دراسة f- بدلًا من f.

أهمية درجة الحرارة

نظرا لكيفية حسابنا للاحتمالية p، نجد أنه من المرجح إختيار حل أسوء من الحل الحالي عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة. الشيء الذي يشكل فرقًا حاسمًا في قدرتنا على “استكشاف exploration” فضاء الحلول، ما يعزز من حظوظنا في الوصول للحل الأمثل.

احتمالات قبول العينة بدرجة حرارة 0.9.
change الفرق بين ملائمة الحلين .acceptance probability نتيجة الدالة p .درجة الحرارة temperature.

عندما تكون درجة الحرارة منخفضة تقل احتمالية قبول الخوارزمية لحل أسوء أو قد لا تقبل إطلاقا أي حل أسوء. الشيء الذي يعزز بشكل كبير قدرتنا على “استغلال exploit ” فضاء البحث. فعند وصولنا للمكان الصحيح، لا داعي للبحث أكثر في أماكن أخرى. وبالتالي يجب التركيز على الموقع الحالي ومحاولة التقارب و إيجاد الحل الأمثل.

احتمالات قبول العينة بدرجة حرارة 0.1.
change الفرق بين ملائمة الحلين .acceptance probability نتيجة الدالة p .درجة الحرارة temperature.

هنا نلحظ أهمية تغير درجة الحرارة وأهمية سرعة ودرجة التغير على مر التكرارت في الوصول للحل الأمثل وليس فقط حلول مقبولة.

أمثلة استخدمت فيها خوارزميات التلدين المحاكى

مشكل البائع المتجول.
جدولة استعمال الزمن.
مشكلة توزيع المهام.
تقسيم وتلوين المنحنيات.
تحسين الدوال الغير خطية.

مميزات وعيوب خوارزميات التلدين المحاكى

مميزات

سهلة الاستخدام.
توفر حلولا مثلى لعدد من المشاكل.

عيوب

يمكن أن يطول أمد التنفيد إن كانت جدولة التخمير طويلة جدا.
يوجد العديد من المعلمات والمتغيرات التي يجب دراستها، لإيجاد أفضلها لحل، كل مشكل، مثل درجة الحرارة البدئية المثلى لحل مشكل معين.

مصادر

ما هي الخوارزميات الجينية؟

هذه المقالة هي الجزء 4 من 12 في سلسلة أشهر الخوارزميات التحسينية المستوحاة من الطبيعية

تعتبر الخوارزميات الجينية من أكثر الخوارزميات التطورية شعبية نظرًا لتنوع تطبيقاتها. بحيث نجد أن الغالبية العظمى من المشاكل التحسينية المعروفة استخدمت هذه الخوارزميات لحلها. إضافة لذلك، نجد أن الخوارزميات الجينية ترتكز على مفهوم الساكنة، وبالتالي عدد كبير من الخوارزميات التطورية مبنية بشكل جزئي أو كلي على الخوارزميات الجينية.

أصل الخوارزميات الجينية

الخوارزميات الجينية، التي تم تطويرها على يد العالم جون هولند وزملائه في فترة الستينيات والسبعينيات، هي نموذج أو تجريد للتطور الطبيعي المبني على نظرية الانتقاء الطبيعي لتشارلز داروين. على الأرجح كان هولند أول من استخدم عمليات التقاطع، والدمج، والتحور، والانتقاء في دراسة الأنظمة التكيفية والاصطناعية. هذه العمليات تعتبر العمود الفقري للخوارزميات الجينية، بكونها استراتيجية لحل المشاكل.

تطبيقات الخوارزمية الجينية

تم تطوير وتطبيق عدد كبير من تحورات الخوارزميات الجينية، على نطاق واسع، لحل مختلف المشاكل التحسينية. من مسألة تلوين المخطط graph coloring إلي التعرف على الأنماط pattern recognition. ومن الأنظمة غير المتصلة discrete systems مثل مشكلة البائع المتجول traveling salesman problem إلي المستمرة continuous systems مثل التصميم الفعال للأجنحة الحاملة في الهندسة الجوية airfoil efficient design. ومن الأسواق المالية إلي الأمثلة متعددة الأهداف multi-objective engineering.

مميزات الخوارزميات الجينية

للخوارزميات الجينية أفضلية كبيرة في التعامل مع مجموعة المشاكل. بحيث تتميز بقدرتها على معالجة المشاكل ذات الملائمة المتغيرة زمنيًا. كما تتميز بمعالجة المشاكل المستمرة وغير المستمرة، والخطية وغير الخطية، حتى المشاكل التي تتعرض للتشويش خلال فترة التنفيد. أي عند تغير فضاء الحلول بفعل طفيلي خارجي.

عيوب الخوارزمية الجينية

للخوارزميات الجينية أيضًا بعض العيوب، فصياغة دالة حساب معامل الملائمة fitness function، واستخدام حجم الساكنة، واختيار المعاملات الهامة مثل معدل التطفر والتقاطع، ومعايير انتقاء الساكنة الجديدة يجب أن يتم بعناية وحذر فائقين. فأي اختيار غير مناسب يمكن أن يجعل التقارب صعبًا أو مستحيلًا، أو سيؤدي ببساطة إلى نتائج لا معنى لها.

لكن على الرغم من وجود هذه العيوب، تبقى الخوارزميات الجينية من أكثر الخوارزميات التطورية استعمالاً، إن لم تكن أكثرها.

آلية عمل الخوارزميات الجينية

تحاكي الخوارزميات الجينية عملية الانتقاء الطبيعي. مما يعني أن الأنواع التي يمكنها التكيف مع التغيرات في بيئتها قادرة على البقاء والتكاثر ونقل جيناتها إلى الجيل التالي. باختصار، تعتمد الخوارزمية الجينية على مفهوم “البقاء للأصلح”. حيث يتكون كل جيل من مجموعة من الأفراد، ويمثل كل فرد نقطة في فضاء الحلول الممكنة. يتم تمثيل كل فرد كسلسلة من الأحرف أو الأعداد الحقيقية أو الأعداد الصحيحة الطبيعية أو بتات bits. هذه السلسلة مماثلة لمفهوم الكروموسوم.

يتنافس أفراد الساكنة على حقوق التزاوج أي حق الخضوع لعمليات التقاطع crossover والتطفر mutation.
الأفراد الأكثر ملائمة أي الأصلح fittest ينتجون الحصة الأكبر من الجيل التالي.
تنتقل جينات الأباء عبر الأجيال، ويبقى الأفضل، مما يصقل أفراد الساكنة جيلًا بعد جيل.
لا يعني الانتقال من جيل إلي جيل اندثار الآباء. فرغم أن متوسط الملائمة لكل جيل يكون أكبر من الذي سبقه، لكن يمكن أن يكون معامل ملائمة فرد أفضل من الأبناء.

معامل الملائمة

يمنح معامل الكفائة لكل فرد من أفراد ساكنة الجيل الحالي بحيث يمثل هذا المعامل قدرة كل فرد على التنافس من أجل البقاء و الاستمرار إلي الجيل التالي.يمكن اعتبار الأفراد ذوي الملائمة العالية أو المثلى في الخوارزميات الجينية خالدين، بحيث يستمرون من جيل إلي جيل رفقة خلفهم. لكون سعة الجيل ثابتة، فعند إنشاء ساكنة جديدة يتم ترتيب أفراد الساكنة الكلية حسب معامل كفاءتهم وقص الساكنة الأقل ملائمة للإبقاء على الحجم الكلي ثابتًا.

كل جيل جديد لديه في المتوسط ”جينات أفضل” أكثر من الأجيال السابقة، نظرًا لكون متوسط اللياقة أعلى. وبالتالي فإن كل جيل جديد لديه “حلول جزئية” أفضل من الأجيال السابقة. وعند توقف معامل الملائمة عن الارتفاع لعدد من الأجيال المتتالية، يحدث إقرار التقارب. أي أن الساكنة الناتجة هي الأمثل والفرد الأكثر ملائمة هو الحل.

العمليات الأساسية في الخوارزميات الجينية

عملية الانتقاء selection

أساس هذا المفهوم هو اختيار الأفراد ذوي الملائمة الأعلى وتخويلهم الحصول على فرص أعلى لتمرير جيناتهم للجيل التالي. أي الخضوع لعدد أكبر من عمليات الدمج والتطفر.

عملية الدمج أو التقاطع crossover

تكافئ هذه العملية مفهوم التزاوج بين أفراد الساكنة. تتمثل في اختيار فردين من الساكنة الحالية وتحديد عدد من الجينات عشوائيًا وتمريرها للخلف (الأبناء). بالطبع عدد جينات الأباء هو نفسه عدد جينات الأبناء ولكون الاختيار عشوائي لا يكون عدد الجينات من الأم أو الأب نفسه عدد الجينات من الأب أو الأم. أي التوزيع ليس 50 | 50.

parent 1: الأم. parent 2: الأب. offspring: الذرية.

التطفر mutation

يمكن تبني هذا المفهوم بطريقتين مختلفتين الأولى عند الدمج نقوم بتغيير أحد جينات الخلف بطريقة عشوائية. والثانية بدلًا من تغيير الخلف مباشرة، نقوم بنسخه وتغيير جين من جينات النسخة، ما ينتج فردين مختلفين في جين واحد.

before mutation: قبل الطفرة. after mutation: بعد الطفرة.

لم نستخدم الخوارزميات الجينية؟

هذه الخوارزميات قوية.
قادرة على توفير حلول في فضاءات إحتمال عملاقة.
على خلاف خوارزميات الذكاء الاصطناعي الأخرى، لا ينتهي التنفيد بفعل التشويش أو تغير المدخلات.

استخدامات الخوارزمية الجينية

الذكاء الاصطناعي.
كسر التشفير والاختراق.
الشبكات العصبية الاصطناعية.
فلترة الإشارات وتحليلها.
مختلف المجالات العملية الأخرى.

مصادر

ما هي تقنيات إنتاج الهيدروجين؟

هذه المقالة هي الجزء 17 من 22 في سلسلة موضوعات تأسيسية في الطاقة المتجددة

يزداد استخدام الهيدروجين عامًا بعد عام، وأصبح يُنتج بشكل واسع عما كان عليه في تسعينيات القرن الماضي. إلا أنه مؤخرًا أصبح محور اهتمام الدراسات التي تركز على استخدامه كوسيط للطاقة منخفضة الانبعاثات الكربونية في سلسلة محطات إنتاج الطاقة، وأسواق النقل. فما هي تقنيات إنتاج الهيدروجين؟

تواجد الهيدروجين في الطبيعة

بالرغم من توافر الهيدروجين في الكون؛ لتواجده في الطبيعة مقترنًا بعناصر أخرى كالكربون والأوكسجين؛ إلا أن استخدامه بصورته النقية الجزيئية يتطلب خضوع الخام من المواد إلى عمليات إنتاجية قد تكون مكلفة في آن، ومن الصعب تطبيقها على مدى واسع.

أهمية الهيدروجين في الصناعة

بالرغم من إشكالية إنتاج الهيدروجين بصورته الجزيئية، إلا أنه يضل عنصرًا مهمًا لكثير من التطبيقات الصناعية، ويدخل في مجالات عديدة، منها:

استخدامات الهيدروجين في مجال الوقود

الاستخدامات التجارية في معالجة الزيوت الثقيلة والنفط، إما لغرض تنقيتها من الشوائب أو لمعادلة نسبة الكربون في الوقود. وتسمى العملية بهدرجة النفط، بحيث يتم استخدام الهيدروجين لمعالجة النفط الخام كمرحلة من عملية التكرير.
الهدرجة تعرف بأنها تفاعل كيميائي يتم من خلاله إضافة الهيدروجين إلى مركب آخر. عادة ما يستخدم هذا التفاعل لتقليل أو تشبيع المركبات العضوية.

استخدامات الهيدروجين في الصناعات الغذائية

أيضًا يدخل في الصناعات الغذائية؛ بالأخص في عملية هدرجة الزيوت والدهون المصنعة، وفي معالجة المعادن، وإنتاج الأمونيا التي تستخدم في عمليات صناعة السماد الزراعي، وغيرها. مثلما ذكرنا مسبقًا، من النقاط التي تؤخذ بعين الإعتبار بل وأهمها على الإطلاق في استراتيجيات استخدام الهيدروجين في انتاج الطاقة هي عدم تواجده بصورته الجزيئية كالنفط، والغاز الطبيعي. فهو ينتج كما تنتج الكهرباء من مواد أولية ذات طاقة كامنة، تتحول هذه الطاقة إلى صورتها الكهربائية باستخدام آليات مختلفة، وذات مراحل متعددة.

تقنيات إنتاج الهيدروجين

الهيدروجين في حالته الجزيئية يمكن إنتاجه من مصادر مختلفة، وبعدة طرق تصنيعية.
في مجال انظمة الطاقة، الهيدروجين يعتبر أفضل ما يمكن إيجاده كوسيط للطاقة، أقرب إلى الكهرباء منها إلى الوقود الأحفوري المستخرج من باطن الارض.
فمن الممكن إنتاجه من أي وقود هيدروكربوني، فالوقود بحد ذاته يحمل جزيئات الهيدروجين في سلسلته الجزيئية. بالإضافة إلى إمكانية إنتاجه من عدة مواد بيولوجية أخرى كالسكر مثلًا، والماء.
عملية فصل الماء والتي تستخدم لاستخراج الهيدروجين تسمى بعملية التحليل الكهربائي، وهي أقدم عملية كهروكيميائية معروفة، وتعتبر أحد أكثر تقنيات إنتاج الهيدروجين التي تخضع للبحوث، والتجارب المعملية.
الهيدروجين بشكل رئيسي ينتج اليوم عبر عملية إصلاح البخار للغاز الطبيعي، لكن أيضًا ينتج عبر عملية تحليل الماء، وكمنتج ثانوي لعمليات صناعية أخرى مثل عملية الكلور القلوي.

عملية إصلاح بخار الميثان 《Steam Methane Reforming》

هي عملية يتم فيها تفاعل الغاز الطبيعي، أو أي بخار لغاز حيوي، أو غاز مرادم مع بخار الماء الذي يمرر في وجود عامل حفاز فلزي بالعادة لإنتاج غاز الإصطناع المكون من الهيدروجين و ثاني أكسيد الكربون.
نسبة إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي تعتبر الأعلى كفاءة بنسبة تصل إلى ٧٢% في وجود درجات حرارة منخفضة بالنسبة لمجال درجات الحرارة المطلوب لإنجاز العملية.
يستعمل الهيدروجين الناتج عن العملية كمادة أولية لخلايا الوقود.
كفاءة العملية من الممكن أن تقل إن كانت مصادر الميثان تتضمن الكبريت، أو أي شوائب. بالتالي هذا يتطلب دخول المادة عملية معالجة أولية، وتنقية لإزالة الشوائب من البخار.
إلى أنه بشكل عام، تنتج هذه العملية غاز إصطناع غني بالهيدروجين بنسبة 70-75%، مع وجود نسب صغيرة من الميثان 2-6%، وأول 7-10%، وثاني أوكسيد الكربون 6-14%.

عملية تغويز الفحم والهيدروكربونات 《Gasification of Coal and Other Hydrocarbons》

يمكن إنتاج الهيدروجين عبر عملية أكسدة جزيئية للفحم، أو أحد مصادر الهيدروكربونات الأخرى، بقايا الزيوت الثقيلة. يتفاعل الوقود الهيدروكربوني مع الأوكسجين بنسبة أقل من النسبة المتكافئة، لإنتاج خليط من أول أكسيد الكربون، والهيدروجين تحت درجات حرارة تتراوح بين ١٢٠٠ إلى ١٣٥٠ درجة مئوية.

عملية التحليل الكهربائي للماء《Electrolysis of Water》

هي عملية فصل جزيئات الماء مباشرة إلى هيدروجين وأوكسجين عبر تمرير تيار كهربائي في خلية كهربائية بوجود عامل حفاز يسمى إلكتروليت.
e- + H2O -> ½ O2 + H2
النوعان الأساسيان لأجهزة التحليل الكهربائية هي:
النوع الأول المسماة بالقلوية عبر إستخدام الإلكتروليت هيدروكسيد البوتاسيوم، والثانية ما تسمى ب PEM خلية وقود غشاء تبادل البروتون، و التي يستخدم فيها الإلكتروليت الصلب والذي يتكون من غشاء من البوليمر الصلب.
بالعادة يتم الاستفادة بشكل كبير من الأوكسجين المنتج من هذه العملية في عدة مجالات مثل: استخدامه في إثراء المخزون الأوكسجيني للمنازل الخضراء المستخدمة في عمليات إنتاج الغذاء.

تقنية إنتاج الهيدروجين من الغاز الحيويHydrogen from》 Biomass》

تقنيات تحويل الغاز الحيوي من الممكن تقسيمها إلى:
عملية تعتمد بمبدأها على الكيمياء الحرارية، أو الكيمياء الحيوية.
العملية المعتمدة على الكيمياء الحرارية تعتبر أقل تكلفة بسبب عدم تواجده حد حراري، وبالتالي العملية تحدث في درجات حرارة عالية مسببة نمط عالي متردد من التفاعلات. هذه التفاعلات قد تتضمن تفاعلات تغوير، أو تحليل حراري في غياب الأوكسجين، منتجة بذلك بخار غني بالهيدروجين هذا الغاز يسمى بسينجاز.
سينجاز يعتبر خليط من غازي الهيدروجين، وأول أوكسيد الكربون.

تقنية خلايا الوقود عالية الحرارة 《High Temperature Fuel Cells》

تنقسم تقنية خلايا الوقود إلى تصميمين الأول يعتمد على كربونات سائلة MCFC، والثاني يعتمد على الأكاسيد الصلبة SOFC.
التقنية تعمل تحت درجات حرارة عالية، مستخدمة وقود الميثان مباشرة، يحدث داخلها مرحلة التفاعل المسماة بالتشكيل الداخلي، والتي يتنج منها الهيدروجين.
هذه التقنيات لا تحتاج هيدروجين نقي مثل خلايا وقود غشاء تبادل البروتون المذكور سابقًا، وحمض الفسفوريك، ولكن من الممكن أن تعمل مباشرة بالغاز الطبيعي، والغاز الحيوي.
بالإضافة إلى أن هذه الأنظمة من الممكن تصميمها لإنتاج هيدروجين نقي يستخدم كوقود للسيارات.

المصادر:

Summary of Hydrogen Production and Storage Systems.
Geopolitics of the Energy Transformation: The Hydrogen Factor – IRENA

ما الفرق بين لغة الآلة ولغة التجميع؟

أصبحت لغة البرمجة الوحدة الأساسية لعالم التكنولوجيا اليوم وهي عبارة عن مجموعة الأوامر والتعليمات التي نقدمها للآلات لأداء مهمة معينة فعلى سبيل المثال، إذا أعطيت مجموعة من التعليمات لجمع رقمين، فسيقوم الجهاز بذلك نيابة عنك ويخبرك بالإجابة الصحيحة وفقًا لذلك. [١] في عالم الكمبيوتر، لدينا أكثر من 500 لغة برمجة لها تركيبها وميزاتها الخاصة. حيث تحتوي كل لغة برمجة على مجموعة فريدة من الكلمات الأساسية التي تُستخدم لإنشاء مجموعة من التعليمات. وقد تم تطوير آلاف من لغات البرمجة حتى الآن، ولكن لكل لغة غرضها المحدد. وتختلف هذه اللغات في مستوى قربها من لغة الإنسان وبعدها عن لغة الحاسوب. بناءً على هذا الاختلاف يمكن تصنيفها إلى فئتين:

لغات برمجة منخفضة المستوى

هي لغات البرمجة الأقرب للغة الحاسوب من لغة الإنسان، ويتم تمثيلها في أشكال 0 أو 1. اللغات التي تندرج تحت هذه الفئة هي لغة مستوى الآلة ولغة التجميع.

لغات برمجة عالية المستوى

هي لغات البرمجة التي تسمح للمبرمج بكتابة البرامج المستقلة وتعتبر عالية المستوى لأنها أقرب إلى اللغات البشرية وتشمل تقريباً جميع لغات البرمجة المتبقية. [٢]

لغة الآلة (machine language)

لغة الآلة هي اللغة الرقمية الأساسية التي يمكن للحاسوب فهمها وتنفيذ التعليمات من خلالها علاوةً على أن لغة الآلة هي اللغة الوحيدة التي يمكن لجهاز الحاسوب أن يقوم بتشغيلها مباشرة دون إجراء أي تحويلات أو تعديلات عليها. تتم قراءتها بواسطة وحدة المعالجة المركزية (CPU)، وتتكون من سلسلة أرقام ثنائية التشفير مؤلفة من أصفار وآحاد (0،1). وتُعتبر لغة الآلة لغة منخفضة المستوى ( Low-level Language ) فهي أولى لغات البرمجة وأصعبها. لكن دونها لا يمكن ترجمة اللغات عالية المستوى، فمثلاً يجب ترجمة لغة ++C إلى لغة الآلة قبل تشغيل الكود على الحاسوب. بينما لا تحتاج لغة الآلة لمترجم، ويفهمها الحاسوب بشكل مباشر. [٣]

مثال عن كود بلغة الآلة:

01001000 01100101 01101100 01101100 01101111 00100000 01010111 01101111 01110010 01101100 01100100

نظام التشفير الثنائي (Binary system)

النظام الثنائي هو عبارة عن مجموعة من التعليمات تستعمل لتتحكم بالحاسب، نتعامل في هذا النظام فقط مع رمزين فقط هما 0 و 1. والتي يفهمها الحاسب بشكل فيزيائي بعملية on/off للإشارات، حيث أن الرقم 1 يمثل الوضع الفعال أو الوضع on والرقم 0 يمثل الوضع غير الفعال أو الوضع off. وعند قراءة أي رقم في نظام العدِّ الثنائي فإنَّنا نقوم بقراءة كل رمز منفرداً. فعلى سبيل المثال الرقم 2 = (100) يقرأ واحد صفر صفر أو يقرأ من اليمين صفر صفر واحد، ولا يقرأ مئة. [٤] لتحويل أي عدد صحيح موجب من النظام العشري إلى الثنائي نستعمل طريقة الباقي Remainder Method الموضحة كالآتي:

قسم العدد العشري على الأساس 2.
أحسب باقي القسمة الذي يكون أما 1 أو 0.
استمر في عملية القسمة وتحديد الباقي حتى يصبح خارج القسمة الصحيح صفراً.
يتكون العدد الثنائي المطلوب من أرقام الباقي مقروءة من الباقي الأخير إلى الأول .

الباقي	الناتج	العدد
0	2	2÷4
0	1	2÷2
1	1	1

بالتالي العدد 4 في التشفير الثنائي هو 100

وللتحويل من نظام ثنائي لنظام عشري نضرب بالأساس 2:

0	2^(0)×	0
0	2^(1)×	0
4	2^(2)×	1
4=4+0+0	1×2^(2)+0×2^(1)+0×2^(0)	100

تحويل الرقم أربعة من ثنائي لعشري

لغة التجميع (Assembly)

هي أكثر من لغة منخفضة المستوى وأقل من اللغة عالية المستوى لذلك فهي لغة وسيطة حيث أنها تشبه لغة الآلة لكن أكثر تطوراً. تستخدم لغة التجميع الأرقام والرموز والاختصارات في بعض المواضع بدلاً من 0 و1. على سبيل المثال: للجمع والطرح والضرب تستخدم رموز مثل Add وsub وMul. [٥]
مثال عن كود بلغة التجميع:

bdos    equ    0005H    ; BDOS entry pointstart:  mvi    c,9      ; BDOS function: output string        lxi    d,msg$   ; address of msg        call   bdos        ret             ; return to CCPmsg$:   db    'Hello, world!$'end     start

الفارق بين لغة الآلة ولغة التجميع

لا يتم فهم لغة الآلة إلا بواسطة أجهزة الكومبيوتر أما لغة التجميع يفهمها البشر وليس الآلات.
يتم تمثيل بيانات لغة الآلة بالترميز الثنائي أو السداسي عشري أو الثماني أما في لغة التجميع يتم الاستعانة برموز سهلة الحفظ. لغة التجميع أسهل على البشر من لغة الآلة.
لا يمكن إجراء تعديلات أو إصلاح الأخطاء في لغة الآلة بينما يمكن التعديل في لغة التجميع بسهولة.
التنفيذ سريع في لغة الآلة لأن جميع البيانات موجودة بالفعل في تنسيق ثنائي أما في لغة التجميع فالتنفيذ بطيء مقارنةً بلغة الآلة. [٥]

المصادر:

ما هي خلايا الوقود الهيدروجينية؟

هذه المقالة هي الجزء 16 من 22 في سلسلة موضوعات تأسيسية في الطاقة المتجددة

تمثل الطاقة أهم متطلبات عصرنا الحالي، ويتم استهلاكها بشكل متسارع، ولذا أضحت متطلبات الطاقة تتزايد بشكل كبير. الإنفجار السكاني الذي نشهده منذ عقود، ووفرة الموارد الأولية للطاقة المتجددة، إضافة إلى التنوع الصناعي يدفعنا لمضاعفة الجهود التي تراكم خبراتنا في مجال إنتاج واستهلاك الطاقة. مما لا شك فيه أن تطوير أي تقنية جديدة بحد ذاته يعد عملية مكلفة، لكن قدرتنا على إيجاد حلول في كل مرحلة من مراحل تطوير التقنية هو أيضًا عملية نستطيع مواكبتها تدريجيًا. فالحاجة إلى تقليل التكلفة ورفع الكفاءة ستؤدي إلى إيجاد أنظمة فعّالة ومتاحة تجاريًا، ووقود نظيف نتاج لتقنيات تنافس التقنيات الحالية في عمليات الإنتاج والنقل. أحد هذه التقنيات التي من الممكن أن تنقلنا إلى مرحلة جديدة تمامًا هي تقنيات الوقود الهيدروجيني، ولا يمكننا الحديث عن الهيدروجين كوقود دون التطرق إلى خلايا الوقود الهيدروجينية.

ما هي خلايا الوقود الهيدروجينية ؟

تتمتع خلايا وقود الهيدروجين بإمكانيات حقيقة لأن تكون التقنية المستقبلية من حيث قابلية التطبيق. تحمل هذه التقنيّة المقومات الأساسية التي تؤهلها لتكون أحد الحلول العصرية لمشكلة زيادة الطلب على وقود صديق للبيئة.
تشبه خلية الوقود الهيدروجينية إلى حدٍ كبير الخلية الكهروكيميائية، والتي تتكون بشكل رئيسي من المكونات الثلاثة: كاثود، آنود، والإلكتروليت. تتصل المكونات مع بعضها بدائرة كهربائية. ليس هناك أي أجزاء دوّارة في هذا التصميم، وبالتالي فهو تصميم بسيط وفعّال. وتصنف الخلايا بحسب نوع الإلكتروليت المستخدم.

كيف تنتج خلايا الوقود الهيدروجينية الكهرباء؟

خلية الوقود هي خلية تحويل طاقة، يتم عبرها استغلال طاقة الهيدروجين. هي عبارة عن خلية كهروكيميائية تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. ويحدث ذلك عن طريق التفاعل الكهروكيميائي للأوكسجين والهيدروجين. حيث يتأين غاز الهيدروجين في الآنود، مما يؤدي إلى تحرير الإلكترونات من الذرة، لتتكون أيونات الهيدروجين. ومن هنا يتفاعل الأوكسجين مع الإلكترونات المنطلقة من الآنود وأيونات الهيدروجين من الإلكتروليت، وينتج عن هذا التفاعل إنتاج الكهرباء، وتكوّن الماء.

إن مبدأ العمل السابق ذكره لا يتغير مهما كان نوع خلية الوقود المستخدمة. وتنتج الخلية ما يصل إلى 0.7 فولت عند التحميل الكامل. ويمكن الحصول على الجهد المطلوب عن طريق توصيل خلايا الوقود على التوالي، وبالمثل نحصل على التيار المطلوب عن طريق توصيل الخلايا على التوازي.

يختلف أداء الخلية بحسب نوع الإلكتروليت المستخدم وتتفاوت الخلايا من حيث الحرارة التشغيلية، وتفاعلات الآنود والكاثود، والكفاءة. ويتم اختيار نوع الخلية بحسب التطبيق المطلوب. وما تم ملاحظته من مقارنة الأنواع المختلفة أن الكفاءة في كل الأنواع لازالت لم تتجاوز 60%.

تطبيقات ومستقبل خلايا الوقود الهيدروجيني

إن بساطة تشغيل هذه الخلايا وكذلك انخفاض الانبعاثات جعلا منها خيارًا مستقبليًا واعدًا. وهذه العوامل في حد ذاتها تجعل من خلايا الوقود قابلة للاستخدام على نطاق واسع من التطبيقات. ومن هذه التطبيقات: توليد الطاقة، والنقل، والأجهزة المحمولة، وتطبيقات الفضاء.

حاليًّا، هناك توجّه لإيجاد طريقة يمكن للبشرية من خلالها توليد الكهرباء بطريقة مستدامة. وتتمتع خلايا الوقود بإمكانية عالية للتأهل كتقنية يمكن من خلالها توليد الكهرباء بمنتجات ثانوية غير ضارة. ومع تزايد الطلب على الطاقة الكهربائية، أصبح من المُلح إيجاد طرق جديدة وآمنة لتلبية الطلب. إن العوامل المحدّدة للطاقة المتجددة هي تخزين الطاقة ونقلها. وباستخدام خلايا وقود الهيدروجين، أصبح من الممكن الحصول على الطاقة الكهربائية من مصادر نظيفة بتقنيات نقل وتخزين آمنة سنتطرق لها في مقال قادم.

المصادر:

Fuel Cell and Its Applications: A Review

تاريخ عمارة بلاد ما بين النهرين

هل نظرت يومًا إلى ما حولك في المجتمع وتساءلت كيف بدأ كل شيء وكيف نمت أول الحضارات؟ أين تشكلت أول مدينة في العالم وكم تختلف عما نحن عليه الآن؟ دعونا نعود كثيرًا من الزمن إلى الوراء وتحديدًا إلى حوالي عام 150,000 ق.م، إلى منطقة تدعى «بلاد ما بين النهرين-Mesopotamia » وهو اسم يوناني يتكون من شقين وهما «في المنتصف أو بين-meso» و«نهر-potamos».

لنتعرف سويًا على مراحل تطور عمارة بلاد ما بين النهرين، حيث تقع حاليًا بلاد ما بين النهرين في العراق وأجزاء من سوريا، وتركيا وإيران. إذ يشير النهران إلى نهري الدجلة والفرات. وتعرف المنطقة باسم «الهلال الخصيب-«fertile crescent كونها منطقة خصبة محاطة بالمياه. ويطلق لقب الرافدين على نهري الدجلة والفرات.

بداية حضارات بلاد ما بين النهرين

بدأ الناس بالاستقرار في منطقة بلاد ما بين النهرين في بقع صغيرة ومتفرقة. وبعد فترات من الزمن، شكَّلت منازل تلك المجموعات مجتمعات زراعية حيث تحتاج الزراعة إلى عمل جماعي. ازدهر التطور الزراعي بعد تدجين الحيوانات وتطور تقنيات الري التي استفادت من قرب نهري الدجلة والفرات. ومع زيادة احتياجات الحياة اليومية بدأت تتوسع منازلهم. وأخذت هذه المجتمعات بالانتشار واستمرت في النمو لعدة آلاف من السنين حتى شكلت ما نسميه الآن بالمدن، والتي تعتبر من عمل شعب سومر. [1]

على عكس الحضارات الأكثر توحدًا في مصر أو اليونان، ضمت أرض بلاد ما بين النهرين مجموعة مختلطة من حضارات متنوعة. وربطت بينهم فقط آلهتهم، وموقفهم من النساء، والعادات الاجتماعية والقوانين. على سبيل المثال البابليين والآشوريين والآراميين.

ينبغي علينا فهم أن هذه البلاد أنتجت امبراطوريات وممالك متعددة بدلًا من حضارة واحدة. وتعرف بلاد ما بين النهرين بأنها مهد الحضارات وتعود هذه التسمية إلى تطورين حدثا في مملكة سومر في الألفية الرابعة ق.م وهما:

ظهور المدينة كما هو معترف به اليوم.
اختراع الكتابة. [2]

تترك البشرية بصمتها على الأرض من خلال المهارات المعمارية والهندسية والفنية. وبقي جزء من فن بلاد ما بين النهرين إلى يومنا هذا. وتوصف هندسة العمارة في حضارات بلاد ما بين النهرين بالعقلانية والمنطقية. فهي ليست هامة فقط في شكلها الخارجي ومهارة التخطيط ولكنها اعتبرت بيئتها ومناخها محورين أساسين في تكوين حضارتها. [3]

بيئة ومناخ بلاد ما بين النهرين

امتدت البلاد على مساحات طبيعية متباينة، حيث تضمنت صحراء، وسفوح تلال، وسهوب ومستنقعات. ولكنها اشتركت في ميزة وهي ندرة تساقط الأمطار.

تنقسم أرض بلاد ما بين النهرين إلى منطقتين بيئيتين تقريبًا، أسفل البلاد في الجنوب وأعلى البلاد في الشمال. حيث تميزت المنطقة السفلى بشتاء بارد جاف، وصيف حار جدًا وجاف. بينما منطقة الشمال تميزت بشتاء معتدل رطب وصيف جاف وحار. فاعتمدت الزراعة فيها على توزيع مياه النهر بشكل اصطناعي وكانت عرضة للفيضانات الدورية.

تحدد الموارد الطبيعية لأي حضارة إلى حد كبير المواد الانشائية المستخدمة من قبل السكان. وساهمت ثلاث عوامل رئيسية في عمارة وفن بلاد ما بين النهرين وهي:

التنظيم السياسي والاجتماعي.
دور الدين الهام في في تنظيم شؤون الدولة.
تأثير البيئة الطبيعية والقيود العملية التي فرضتها الجيولوجيا والمناخ.

ونرى هذه الأخيرة واضحة في عمارة بلاد ما بين النهرين.

تأثير الموارد الطبيعية على عمليات البناء

تكونت منطقة جنوب بلاد ما بين النهرين من الطين والتراب وافتقرت إلى الحجارة. بينما توافرت الحجارة في الشمال والسهول الآرامية بشكل أكبر. لكن افتقرت المنطقتان إلى الغابات الكثيفة، فالخشب الوحيد الذي كان متاحًا هو خشب النخيل. ولذلك تم اعتماد الطين كمادة بناء أساسية، حيث تم تشكيل اللبن في قوالب مستطيلة وتركت لتجف.

تطور الطوب في عمارة بلاد الرافدين

كان هناك نوعان من الطوب المجفف، الأول المجفف تحت أشعة الشمس والثاني المجفف في الفرن. حيث كان الطوب المجفف في الشمس معمر إلى حدٍ ما ورخيص الإنتاج. في حين كان الطوب المجفف في الفرن مكلفًا لأنه يحتاج إلى حرق وقود، لذلك استُخدم في المباني المرموقة والقصور.

أدرك البناءون بعد ذلك أن خلط الطين بالقش يجعل اللبن أقوى ويمنعه من التشقق. وفي بعض الأحيان تم خلط الطين بالحصى أو الجير لجعله أكثر استقرارًا. واستمر تطوير اللبن كمادة بناء أساسية وعلى مر الزمن تم تغيير مظهره ونسبه.

الرخام في عمارة بلاد الرافدين

وُجد في المنطقة رخام عُرف باسم رخام الموصل، ولكن نقله تطلب الكثير من القوة البشرية وكان ذلك مكلفًا أيضًا لذلك اقتصر استخدامه على القصور والمعابد.

استخدام البيتومين

واستخدم البناؤون مادة «البيتومين-«pitmen الذي تم الحصول عليها من شقوق نهر الفرات. والبيتومين هو نوع من أنواع الاسفلت. كان يستخدم البيتومين كمادة رابطة بسبب خصائصه اللاصقة والمتماسكة واستخدم أيضًا لطلاء الأسطح والأنابيب بسبب خصائصه العازلة للماء.

القصب والبردي والكلس في عمارة بلاد ما بين النهرين

استخدم القصب والبردى أيضًا في مناطق المستنقعات كمادة بناء للمنازل في مراحل معينة. وكذلك الكلس توافر بكثرة واستخدموه للطلاء. فعادةً ما كانت جدران المنازل الطينية السمكية تطلى بالجير لزيادة الإضاءة عبر عكس أشعة الشمس مما يوفر وسيلة للسيطرة على البيئة داخل المنازل. بينما استخدم السكان الحجر في المناطق الجبلية في شمال البلاد.

الميزة الأساسية للطين هو سهولة توافره وسهولة استخدامه وتمنح قدرته الحرارية العالية مزايا التحكم في البيئة الداخلية للفراغ. ويعتبر نظام البناء بالطين صديقًا للبيئة ولا يستهلك الكثير من الطاقة وأكثر فعالية في الظروف المناخية الحاصلة في المنطقة. لذلك يعتبر الخيار الأمثل لعمليات البناء. [4]

السكان القدماء في العراق في العصور الحجرية

تنقسم مراحل حياة القدماء في العراق في العصور الحجرية إلى:

1. «العصر الحجري القديم- «Paleolithic (12000-150000) ق.م

عاش الإنسان القديم في الكهوف منذ حوالي عام 100,000 ق.م في شمال العراق واستخدم حجارتها لصناعة أدواته. ومن أقدم الكهوف التي تم العثور عليها كهف «زوزة-Souza» وكهف «هزارمرد-hazairmrd» في مدينة سليمانية. وتبلغ أبعاد أحد أشهر الكهوف وهو كهف «شانيدر-shanider» في جبل رواندوز حوالي25 م عرض * 8 م ارتفاع مدخل الكهف، بينما بلغ 40 م طول * 53 م عرض من داخل الكهف.

2. «العصر الحجري المتوسط-«mesolata بدأ بحوالي عام 12000 ق.م

انتقل السكان ليعيشوا بالقرب من الكهوف وبدؤوا بالاستقرار وزراعة الأرض. وتعتبر مستوطنة zawe Jamie واحدة من أقدم المستوطنات المكتشفة وتقع على ضفاف نهر الزاب وهو ثاني روافد نهر دجلة، إلى الغرب من كهف شانيدر. فبنى السكان منازلهم من الطين وأخذت شكل دائري بقطر حوالي 4 م وسمك الجدران 1.65 م حيث صنعوا الأساس من حجر كبير طبيعي.

3. «العصر الحجري الحديث-neolithic age» بدأ بحوالي عام 10000 ق.م

ويقسم بدوره إلى عدة أقسام. تطورت حياة الناس في هذه المرحلة حيث ابتعدوا عن الكهوف وبدؤوا العيش في القرى كمجتمعات زراعية ومن أمثلة ذلك قرية جرمو التي يعود تاريخها إلى عام 6700 ق.م وتقع في الجزء الشمالي من العراق.

المنازل في هذه القرية مستطيلة الشكل وتضم أكثر من غرفة. واستخدموا مادة الطين للبناء، والحجر للأساس، وبنوا الأعمدة، بينما كانت الحوائط محشوة بأغصان الصفصاف والأرضية مغطاة بالطين والخشب، كما استخدم القصب لبناء الأسقف.

ومن نماذج القرى أيضًا قرية جوخ ماري والتي تقع في الشمال الغربي للعراق، حيث وجد أساس لبرج يقع في مدخل القرية. كانت منازل سكان قرية جوخ ماري أيضًا تحتوي على عدد من الغرف والجدران والتي بنيت من اللبن الذي كان ذو نسبة متطاولة. تم ترتيبه في مجموعات من ثلاث أعمدة عمودية وثلاث أعمدة أفقية. [5]

بدأت تكبر المستوطنات بعد ذلك شيئًا فشيئًا وأخذت بالانتشار والتطور لندخل بعدها إلى عصر «ما قبل السلالات-pre strains age» الذي شكل حلقة وصل بين العصور الحجرية وعصور الامبراطوريات والممالك الكبيرة.

المصادر:

ما هو أثر الزلازل في المباني الخرسانية المسلحة؟

تعتبر مباني « الخرسانة المسلحة -Reinforced Concrete (RC)» شائعة في جميع أنحاء العالم. وتتكون من مادتين أساسيتين هما الخرسانة، وقضبان التسليح الفولاذية. تصنع الخرسانة من الرمل والحصويات (الركام) والإسمنت، وتخلط كلها بكمية محددة مسبقًا من الماء. يمكن تشكيل الخرسانة بأي شكل مرغوب، ويمكن ثني القضبان الفولاذية في أشكال عديدة. وبالتالي، يكون تشييد المنشآت ذات الأشكال المعقدة ممكنًا باستخدام RC. فما هو أثر الزلازل في المباني الخرسانية المسلحة؟

تنتقل قوى العطالة الزلزالية المتولدة عند مستويات أرضيات الطوابق عبر البلاطة والجيزان إلى الأعمدة والجدران، ثم إلى الأساسات حيث تتبدد في الأرض. عندما تتراكم قوى العطالة من أعلى المبنى إلى أسفله، تتعرض الأعمدة والجدران في الطوابق السفلية لقوى زلزالية أكبر. وبالتالي من المهم أن تصمم تلك الأعمدة والجدران لتكون أقوى من تلك الموجودة في الطوابق أعلاها. [1]

أثر الزلازل في المباني الخرسانية المسلحة

بلاطات الأرضيات

عندما تنحني الجيزان شاقوليًا في أثناء الزلازل، تنحني البلاطات الرقيقة معها. وعندما تتحرك البلاطة في الاتجاه الأفقي، فإنها عادة ما تجبر الجيزان والأعمدة على التحرك معها.

يكون التشوه الهندسي للبلاطة ضئيلًا في المستوي الأفقي في معظم المباني. ويُعرف هذا السلوك بعمل «الديافرام الصلب-Rigid Diaphragm». يجب على المهندسين الإنشائيين مراعاة هذا أثناء التصميم. [1]

اختلاف التأثيرات الزلزالية الأفقية

تؤدي حمولات الجاذبية (الوزن الذاتي ومحتويات المبنى) إلى انحناء إطارات الخرسانة المسلحة مما يسبب تمددًا وتقاصرًا في مواقع مختلفة. تحت حمولات الجاذبية، يكون «الشد-Tension» في الجيزان عند السطح السفلي للجائز لمنتصفه وعلى السطح العلوي عند نهايتيه. أما الحمولة الزلزالية، فتسبب شدًا على أوجه الجائز والعمود في مواقع مختلفة عن تلك التي تخضع للشد تحت حمولات الجاذبية. يوضح الشكل المستويات النسبية لهذا الشد (عزم الانعطاف) المتولدة في العناصر.

بالتالي، يمكن لنهايتي الجائز أن تطورا شدًا على أي من الوجهين العلوي والسفلي في ظل اهتزاز زلزالي قوي. ونظرًا إلى أن الخرسانة لا يمكنها تحمل هذا الشد، يكون وجود القضبان الفولاذية ضروريًا على كلا وجهي الجائز لمقاومة تغيرات اتجاه «عزم الانعطاف-Bending Moment». وبالمثل، يكون وجودها ضروريًا على جميع أوجه الأعمدة. [1]

التسلسل الهرمي للقوة

لكي نتجنب أثر الزلازل في المباني الخرسانية ، يجب أن تكون الأعمدة (والتي تتلقى القوى من الجيزان) أقوى منها. ويجب أن تكون الأساسات (والتي تتلقى القوى من الأعمدة) أقوى من الأعمدة. علاوة على ذلك، يجب ألا تنهار الوصلات بين الجيزان والأعمدة، والأعمدة والأساسات. [1]

كيف تقاوم الجيزان الزلازل في مباني الخرسانة المسلحة؟

تحتوي الجيزان (الكمرات) في مباني الخرسانة المسلحة على مجموعتين من فولاذ التسليح، وهما: القضبان الطولية؛ وهي قضبان مستقيمة موضوعة على طول الجائز، وحلقات مغلقة من قضبان فولاذية صغيرة القطر (تسمى الأساور) موضوعة عموديًا على مسافات منتظمة على طول الجائز. [2]

وتتعرض الجيزان لنوعين أساسيين من الانهيارات، وهما:

انهيار الانعطاف: يتميز الانهيار المطاوع بالعديد من الشقوق الشاقولية التي تبدأ من السطح المتمدد للجائز، وتتجه نحو منتصف عمقه.
انهيار القص: قد ينهار الجائز أيضًا بفعل قوة القص. يميل شق القص 45 درجة عن الأفق؛ ويتطور عند منتصف العمق بالقرب من المسند (العمود) ويمتد نحو الوجهين العلوي والسفلي. يعد انهيار القص هشًا، لذلك يجب تجنبه في تصميم جيزان RC، وذلك باستخدام الأساور الفولاذية التي تعمل على مقاومته. [2]

تستخدم القضبان الطولية لمقاومة تشقق الانعطاف على الجانب المتمدد للجائز. ونظرًا إلى تمدد الوجهين العلوي والسفلي أثناء اهتزاز زلزالي قوي، فإن القضبان الفولاذية الطولية مطلوبة على كلا الوجهين عند النهايتين وعلى الوجه السفلي عند منتصف طول الجائز. [2]

تحمل الأساور قوة القص الشاقولية وبالتالي تقاوم شقوق القص القطرية، وتحمي الخرسانة من الانتفاخ إلى الخارج بسبب الانعطاف. كما تمنع أساور قوة القص تحنيب القضبان الطولية المضغوطة بسبب الانعطاف. وفي مناطق زلزالية معتدلة إلى شديدة يجب توفير بعض المتطلبات: [2]

كيف تقاوم الأعمدة في مباني الخرسانة المسلحة الزلازل؟

تحتوي الأعمدة على نوعين من فولاذ التسليح، موضحان في الشكل. يمكن أن تتعرض الأعمدة لنوعين من الضرر، وهما؛ انهيار الانحناء المحوري (الانحناء الانضغاطي المشترك) وانهيار القص. يعد ضرر القص هشًا ويجب تجنبه في الأعمدة من خلال استخدام أساور عرضية. [3]

تحمل الأساور الأفقية المغلقة المتقاربة قوى القص الزلزالية الأفقية، وبالتالي تقاوم شقوق القص القطرية، وتربط القضبان الشاقولية معًا وتمنعها من الانحناء للخارج بشدة (التحنيب). [3]

يجب توفير بعض المتطلبات في الأعمدة لمقاومة الزلازل وفق فلسفة التصميم الزلزالي:

أساور متقاربة عند طرفي العمود.
عندما يتجاوز التباعد بين قضبان الزاويا 300 مم، نضع روابط إضافية بنهايات معقوفة بمقدار 180 درجة لكي تكون الأساور فعالة في تثبيت الخرسانة ومنع تحنيب القضبان الشاقولية. يجب أن تدور هذه الروابط حول كل من القضبان الشاقولية والأساور الأفقية المغلقة. [3]

المصادر

[1] How do Earthquakes affect Reinforced Concrete Buildings?
[2]NICEE: How do Beams in RC Buildings resist Earthquakes ?
[3] How do Columns in RC Buildings resist Earthquakes?