ما مدى دقة أنظمة الذكاء الاصطناعي في تمييز العواطف البشرية ؟

حظي الوجه البشري بإهتمام شعبي وعلمي على حد سواء، فهو يُعدّ نافذة إلى الروح لكشف مايُكنّه الإنسان من مشاعر وعواطف، يذكر عالم الأحياء الشهير تشارلز داروين في كتابه “التعبير عن العواطف عند الإنسان والحيوان” أنّ تعابير الوجه مرتبطة بالعواطف كبقايا بيولوجية لأفعال خدمت ذات مرة أغراضًا تتعلق بالبقاء. تُعدُّ أبحاث داروين لحركات وتعابير الوجه اللبنةَ الأولى لنظرية الانفعالات لصاحبها «تومكينز – Tomkins» . عرّف تومكينز الانفعالات على أنها استجابات بيولوجية فطرية لمثيرات مختلفة تظهر في الجهاز الصوتي والجهاز العضلي خصوصًا في منطقة الوجه وافترض في نظريته أن هناك عدد محدود من العواطف التي يُعبر عنها من خلال تعابير الوجه. في الآونة الأخيرة طعنت بعض الأبحاث في صحة وجهة النظر التقليدية التي تربط بين تعابير وجه الانسان والمشاعر المرتبطة بهذه التعابير. وبالرغم من أن نظرية الانفعالات لاتزال تحظى بتأييد من الأغلبية إلا أنه يوجد دليل علمي حاسم يربط بين المشاعر الفريدة وتعابير الوجه فمثلًا يمكن أن يشعر الإنسان بعاطفة ما بدواخله دون أن يعبر عنها في وجهه وبالتالي يمكننا القول أنه لا يمكن التعبير عن كل عواطف الإنسان من خلال تعابير الوجه. ومن هذا المنطلق تواجه أنظمة الذكاء الاصطناعي المتخصصة في تمييز العواطف البشرية معضلات كثيرة في تمييز العاطفة فهي مبنية على قواعد بيانات تربط بعض تعابير وعالم الوجه بحالات عاطفية وفقًا لمحددة التصنيفات أو الأبعاد أو الفئات المتبعة في خوارزميات الذكاء الاصطناعي.

مقارنة تمييز العواطف البشرية بين الإنسان والذكاء الاصطناعي

لدى الانسان مقدرة هائلة في تمييز وفهم المشاعر وخاصة للأشخاص القريبين منه، فبمجرد أن تلقي نظرة على وجه شخصٍ ما، بإمكانك تحديد ما إذا كان سعيدًا أو حزينًا أو قلقًا. ويرجع ذلك بفضل قدرة الدماغ البشرية على تحليل الصور وفهم المشاعر. وعلى جانب أخر، اكتسبت تقنيات الذكاء الاصطناعي القدرة على تمييز الصور من خلال نماذج تعلم الالة التي يمكنها التعرف على الوجوه ومتابعة حركتها ويظهر ذلك جليًا في تقنية فتح الهواتف الذكية باستخدام صورة الوجه أو في خاصية الأمان المستخدم لدى شركة فيسبوك والتي تتطلب أخذ صورة لوجهك. ليس ذلك فقط، بل بإمكان الذكاء الاصطناعي معرفة مشاعرك عن طريق صورة وجهك فقط. لكن مع كل هذا التقدم لايزال الذكاء الاصطناعي متأخرًا عن الإنسان من حيث مقدرته على تمييز المشاعر وذلك بحسب دراسة أجريت في جامعة دوبلن سيتي. أجرى فريق الدراسة البحث على ثمانية من الأنظمة المستخدمة لتمييز العواطف الإنسانية من خلال تعابير الوجه وقارنوا أداء التعرف على المشاعر بأداء المراقبين البشريين. وجد الباحثون أن دقة تمييز العواطف بالنسبة للمراقبين البشريين هي 72% بينما تباينت دقة التعرف بواسطة أجهزة الذكاء الاصطناعي من 48% إلى 62%.

منهجية البحث

يقول المؤلف الرئيسي للدراسة الدكتور«داميان دوبري – Damien Dupré» “من السهل جدًا تطوير أنظمة الذكاء الاصطناعي التي تدّعي التعرف على عواطف البشر من تعابير وجوههم. ومع ذلك، يعتمد معظمها على أدلة علمية غير حاسمة حيث تستند على أن كل البشر يعبرون عن عواطفهم بنفس الطريقة.” تستند أنظمة التعرف على المشاعر البشرية إلى ستة عواطف أساسية فقط -السعادة، الحزن، الغضب، الخوف، المفاجأة، والاشمئزاز-ولكنها لا تستطيع تمييز المشاعر المختلطة بشكل جيًد. تحتاج الشركات التي تستخدم مثل هذه الأنظمة إلى أن تدرك أن النتائج التي تم الحصول عليها لا تًعدّ مؤشرًا للعاطفة التي يشعر بها الإنسان، ولكنها مجرد مقياس لمدى تطابق وجه الشخص مع وجه من المفترض أن يتوافق مع إحدى تلك العواطف الستة. تعمل أنظمة تتميز المشاعر ببساطة عن طريق مقارنة صورة للوجه مع صور مخزنة في قواعد بيانات ضخمة تحتوي على المشاعر الأساسية الستة. تقوم إحدى تقنيات الذكاء الاصطناعي – مثل الشبكات العصبية الاصطناعية-بتحليل صورة الوجه وحساب مقدار التشابه مع المشاعر الأساسية الستة وبناء على ذلك تحتسب صورة الوجه تلك على أنها في سعادة أو في حزن أو غيرها.

اشتملت الدراسة التي أجريت في جامعة دبلن على 937 مقطع فيديو أُخذت عينات منها من قاعدتي بيانات ضخمتين تحتويان على صور للمشاعر الستة الأساسية. اختيرت قاعدتي بيانات ديناميكيتين معروفتين لتعبيرات الوجه: «BU-4DFE»من جامعة بينغهامتون في نيويورك والأخرى من جامعة تكساس. صنفت صور المشاعر الستة في كلتا القاعدتين إلى فئات مميزة لتعبيرات الوجه، وتحتوي هذه الفئات إما على تعابير وجه منفتحة أو عفوية. كانت جميع التعبيرات التي تم فحصها ديناميكية لتعكس الطبيعة الواقعية لسلوك الوجه البشري. أظهرت النتائج أن دقة أنظمة الذكاء الاصطناعي في تمييز التعابير العفوية للوجوه البشرية منخفضة وأضافت المؤلفة المشاركة للدكتورة «إيفا كرومهوبر – Eva Krumhuber» المتخصصة بعلم النفس وعلوم اللغة بجامعة كاليفورنيا: “لقد قطع الذكاء الاصطناعي شوطًا طويلًا في تمييز تعابير الوجوه البشرية ، ولكن بحثنا يشير إلى أنه لا يزال هناك مجال للتحسين في التعرف على المشاعر الإنسانية الحقيقية”.

صورة توضح نتائج دقة تمييز العواطف البشرية باستخدام أنظمة مختلفة للذكاء الاصطناعي

خداع الذكاء الاصطناعي

تواجه أيضًا أنظمة الذكاء الاصطناعي التي تستخدم «الشبكات العصبية العميقة –Deep Neural Networks» لتصنيف الصور بعض الصعوبات في تمييز الصور حيث أوضح الباحث «نجوين – Nguyen» الذي يعمل حاليا في جامعة«أوبورن – Auburn» بولاية ألاباما الأمريكية- أن مجرد تدوير الاشياء في صورة كان كافيًا لتضليل بعض من أفضل أنظمة تصنيف الصور . وصرّح الباحث«هندريكس –Hendrycks» وزملاؤه بأنَّه حتى الصور الطبيعية غير المعدلة يمكنها خداع أحدث برامج التصنيف، وإيقاعها في زّلاتٍ لا يمكن التنبؤ بها، مثل تصنيف فطر في صورة ما على أنَّه قطعة من معجنات «البريتزل –pretzel »، أو تصنيف حشرة يعسوب على أنَّها غطاء بالوعة .تتجاوز المشكلة مسألة التعرف على الاشياء، إذ إن أي نظام ذكاء اصطناعي يستخدم الشبكات العصبية العميقة لتصنيف المدخلات، مثل الكلام، يمكن خداعه. ويمكن أيضًا عرقلة عمل برامج الذكاء الاصطناعي التي تُستخدم في ألعاب الفيديو. ففي عام ،2017على سبيل المثال، ركزت عالمة الحاسوب «ساندي هوانج –Sandy Huang»– طالبة دكتوراة في جامعة كاليفورنيا بمدينة بيركلي الامريكية- وزملاؤها على الشبكات العصبية العميقة التي دُربَت على الفوز في ألعاب الفيديو بأجهزة الـ«أتاري –Atari »، من خلال عملية تسمى التعلم التعزيزي . وفي هذا الإطار، يُوضع هدف لنظام الذكاء الاصطناعي. وعبر الاستجابة لمجموعة من المدخلات، يتعلم النظام من خلال التجربة والخطأ ما ينبغي فعله للوصول إلى هذا الهدف. وهذه هي التقنية التي تستند إليها برامج الذكاء الاصطناعي الخارقة الممارسة للألعاب، مثل «ألفا زيرو –AlphaZero» وروبوت لعبة البوكر «بلوريباس –Pluribus»ومع ذلك.. استطاع فريق هوانج أن يجعل برامج الذكاء الاصطناعي تخسر في الالعاب، عن طريق إضافة بكسل عشوائي أو اثنين إلى الشاشة. وبيّن «آدم جليف –Adam Gleave» -طالب الدكتوراة في مجال الذكاء الاصطناعي بجامعة كاليفورنيا في مدينة بيركلي الامريكية– وزملاؤه أنَّه من الممكن إقحام عنصر في بيئة نظم ذكاء اصطناعي، لينفذ سياسة ُ خادعة مُصممة لتُعرض لك استجابة هذه النظم؛ فعلى سبيل المثال في بيئة محاكاة، في نظام ذكاء اصطناعي مخصص لألعاب كرة القدم، ستلاحظ أن اللاعبين المُّدربين على ركل الكرة لتستقر في مرمى يحرسه حارس مرمى في النظام يفقدون قدرتهم على تسجيل الأهداف عندما يبدأ حارس المرمى في التصرف بطرق غير متوقعة، مثل السقوط على الأرض.

المصادر

PLOS Journal

Techxplore

Nature

اختراع جهاز لتوليد الكهرباء باستخدام البكتيريا

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

اختراع جهاز لتوليد الكهرباء باستخدام البكتيريا

يسعى الإنسان لتسخير موارد الطبيعة لما يعود عليه بالنفع والرفاهية منذ أن وجد على هذه الأرض، ويشمل ذلك استغلال الموارد الطبيعية لتوليد الكهرباء. في الآونة الأولى، اُستخدم الوقود الأحفوري لتوليد الكهرباء وبالرغم من آثاره السلبية على البيئة لايزال يُستخدم حتى الآن، ثم تبع ذلك استغلال الطاقة المستدامة كالرياح وطاقة المد والجزر والطاقة الشمسية. كل تلك الطرق مألوفة للكثيرين، لكن في هذا المقال سنناقش واحدةً من أغرب الطرق حيث طور فريق من العلماء جهاز لتوليد الكهرباء باستخدام البكتيريا، هذا النوع من البكتيريا عُثر عليه في شواطئ نهر بوتوماك في الولايات المتحدة الأمريكية.

توليد الكهرباء عن طريق بكتيريا الجيوباكتر

تمكن الباحثون من اكتشاف ميكروب استثنائي ينتمي إلى عائلة بكتيريا الجيوباكتر التي تمتاز بقدرتها على أكسدة المركبات العضوية والمعادن. فيما مضى لاحظ العلماء قدرة بكتيريا الجيوباكتر على إنتاج «المغنيتيت –Magnetite» وهو أحد أكاسيد الحديد ويعرف باسم أكسيد الحديد الأسود ويمتاز بخصائص مغناطيسية. ولكن مع مرور الوقت، اكتشف العلماء قدرة هذا الكائن على إنتاج الأسلاك النانوية البروتينية الموصلة للكهرباء. لسنوات عدة حاول العلماء استغلال هذه الهبة الطبيعية، ومؤخرًا نجح فريق من العلماء في تصميم جهاز أطلقوا عليه اسم «Air-gen» والذي يقول عنه مهندس الكهرباء «جون ياو–Jun Yao» ” نجحنا في توليد الكهرباء حرفيًا من الهواء الرقيق!” ،قد يبدو هذا الادعاء مبالغًا فيه، ولكن في دراسة حديثة أجراها الباحث “ياو” وفريقه تصف كيف يمكن لهذا الجهاز أن يولد الكهرباء بدون أي شيء سوى وجود الهواء حوله. كل ذلك بفضل الأسلاك النانوية البروتينية الموصلة للكهرباء التي تنتجها فصيلة من عائلة «بكتيريا جيوباكتر–Geobacter» وتُعرف باسم «Geobacter.sulfurreducens».

آلية العمل

يتكون جهاز «Air-gen» من طبقة رقيقة من الأسلاك النانوية البروتينية -المنتجة بواسطة بكتيريا جيوباكتر- بسماكة 7 ميكرومتر فقط، يتم وضعها بين قطبين مصنوعين من الذهب كما هو موضح في الشكل أدناه، تُعرّض هذه الطبقة للهواء مما يُسبب امتصاص البخار الموجود في الهواء الجوي عن طريق هذه الأسلاك النانوية. يؤدي تدرج نسبة الرطوبة إلى انتشار البروتونات في هذه الأسلاك وتولد تيار كهربائي مستمر يسري بين قطبي الجهاز. الجدير بالذكر أن هذا الاكتشاف أتى بمحض الصدفة عندما لاحظ الباحث “ياو” أنه عند توصيل الأسلاك النانوية بالأقطاب الكهربائية بطريقة معينة يتولد تيارًا كهربيًا عن طريق هذه الأجهزة. يقول “ياو” : “من الضرورة توفير رطوبة حول هذا الجهاز وذلك لكي تتمكن الأسلاك النانوية من امتصاص الماء مما ينتج عنه حدوث فرق جهد كهربي في الجهاز”.

يظهر في الشكل صورة مجهرية للأسلاك النانوية البروتينية المنتجة بواسطة بكتيريا جيوباكتر بالإضافة إلى صورة مبسطة لجهاز «Air-gen».

أظهرت الدارسات السابقة قدرة بعض المواد الكربونية المعدلة هندسيًا على استغلال رطوبة الجو لتوليد الكهرباء ولكن كانت بكميات صغيرة ولا تستمر سوى لبضع ثوان. على النقيض من ذلك ، ينتج «Air-gen» جهدًا مستمرًا يبلغ حوالي 0.5 فولت، وكثافة تيار تبلغ حوالي 17 ميكروأمبير لكل سنتيمتر مربع ويستمر توليد التيار لما يقارب عشرين ساعة قبل أن يقوم الجهاز بعملية الشحن الذاتي. بالطبع كمية الطاقة المنتجة باستخدام هذه الطريقة لاتزال أيضًا صغيرة ولا يمكن استخدامها في التطبيقات اليومية، ولكن ذكر فريق البحث بأنه يمكن مضاعفة هذه الطاقة عن توصيل أجهزة متعددة مما يسمح بتوليد طاقة كافية لشحن الأجهزة الصغيرة مثل الهواتف الذكية والأجهزة الإلكترونية الشخصية الأخرى. تعد هذه الطريقة صديقة للبيئة ولا تخلف أي نفايات، فقط كل ما تحتاجه هو ذلك الميكروب الاستثنائي بالإضافة إلى الرطوبة.

طموحات مستقبلية

يسعى الباحثون إلى الاستفادة من هذه التقنية على نطاق واسع كإمداد المنازل بالكهرباء عبر الأسلاك النانوية المدمجة في طلاء الجدران. يقول “ياو ” بمجرد أن ننتج هذه الأسلاك بكميات تجارية كبيرة، أتوقع تمامًا أن نتمكن من إنشاء أنظمة ضخمة من شأنها أن تسهم بشكل كبير في إنتاج الطاقة المستدامة.” ما يعيق تحقيق هذه الإمكانات المذهلة هي الكمية المحدودة من الأسلاك النانوية التي تُنتج . ولكن في بحث ذي صلة أجراه أحد أعضاء الفريق -عالم الأحياء الدقيقة ديريك لوفلي- أوضح إمكانية وجود حل لهذه المشكلة وهي هندسة الأنواع الأخرى من البكتيريا وراثيا ، مثل بكتيريا «إي كولاي –E. coli» لإنتاج الأسلاك النانونية البروتينية بكميات ضخمة. يقول لوفلي “حولنا بكتيريا إي كولاي إلى مصنع للأسلاك النانوية البروتينية “. وبالتالي سيفتح ذلك آفاقًا جديدة في تطبيق هذه التقنية على نطاق واسع. نُشر هذا البحث في دورية «Nature» في شهر فبراير الماضي.

المصادر

sciencealert

Nature

ما هو الجيروسكوب ؟ وكيف يعمل ؟ وما هي أحدث إصداراته؟

على الرغم من أهمية نظام تحديد المواقع العالمي أو ما يعرف اختصارًا ب «GPS» ، إلا أنه لايمكن الاعتماد عليه طوال الوقت. فهناك العديد من المواقف التي قد لا يتوفر فيها نظام تحديد المواقع العالمي «GPS» ، كأن تكون في منجم أو تحت الماء أو في الفضاء. من هنا تأتي أهمية مستشعر«الجيروسكوب – gyroscope» وهو عبارة عن جهاز يعمل على تحديد الاتجاهات والانحناءات والمحافظة على الدوران عن طريق استغلال جاذبية الأرض . فمثلًا في هاتفك المحمول عندما تغير وضعية الهاتف من الوضع الرأسي إلى الوضع الافقي يقوم هذا الجهاز باستشعار هذا التغير وبدوره يعمل على تدوير شاشة الموبايل. وأيضًا عندما تلعب ألعاب الفيديو يستشعر هذا الجهاز اتجاه تحركاتك. في هذا المقال سنستعرض معكم كيفية عمل الجيروسكوب بشكل عام وما أهمية الجيروسكوب المدمج الدقيق بشكل خاص.

ما الفرق بين الجيروسكوب ومقياس التسارع؟

مقياس التسارع هو عبارة عن مستشعر صغير مصمم لقياس التسارع الغير الجاذبي «non-gravitational acceleration». يتم تركيب مستشعر التسارع في النظام أو الجسم الذي يراد قياس مقدار تسارعه بحيث يحسب مقدار مقدار تسارع النظام عند تحركه من حالة التوقف إلى أي سرعة يصل إليها. يُصمم مقياس التسارع للاستجابة للاهتزازات المرتبطة بهذه الحركة عن طريق بلورات متناهية بالصغر تخضع للضغط عند حدوث الاهتزازات ، ومن هذا الضغط يتولد جهد كهربائي يعبر عن مقدار التسارع . وتعتبر مستشعرات التسارع أحد المكونات الهامة للأجهزة التي تقيس اللياقة البدنية ووأيضا القياسات الأخرى في الحركة الذاتية الكمية. إذن الفرق الرئيسي بين الجيروسكوب ومقياس التسارع هو أن الجيروسكوب لديه المقدرة على استشعار دوران الجسم أو الجهاز المدمج فيه بينما مستشعر التسارع لايستطيع استشعار الدوران.

تصميم الجيروسكوب المدمج الدقيق بواسطة جامعة ميشغيان

عادةً ما تستخدم الأنظمة التي تحتاج إلى تتبع الموقع، -مثل الهواتف الخلوية أو السيارات ذاتية القيادة أو الغواصات- ، ما يسمى بوحدات القياس بالقصور الذاتي أو ما تعرف اختصارًا ب«IMU» والتي تمثل مزيجًا من مقاييس التسارع والجيروسكوبات التي تعمل على تقدير الموقع من خلال طريقة «الحساب الميت –dead reckoning» وذلك عن طريق تتبع التغييرات في كل من التسارع والدوران. تعتمد دقة تحديد الموقع على مدى دقة أجهزة الاستشعارالموجودة في وخدات ال«IMU» ولكن لسوء الحظ ، فإن الجيروسكوبات ذات الأداء العالي في تتبع الدوران على مدى فترات طويلة من الزمن كبيرة الحجم ومكلفة للغاية بالنسبة لمعظم الأنظمة التجارية أو حتى على مستوى المستهلك.

في الندوة الدولية السابعة حول أجهزة الاستشعار وأنظمة القصور الذاتي لمعهد مهندسي الكهرباء والالكترونيات «IEEE» قدم باحثون في جامعة ميشيغان ، بقيادة خليل النجيفي ورقة علمية تقترح نوع جديد من الجيروسكوبات يسمى بالجيروسكوب المدمج الدقيق، والذي يقول عنه المؤلفون بأنه أكثر دقة ب 10000 مرة، ولكن أغلى ب 10 مرات من الجيروسكوبات المستخدمة في هاتفك الخلوي “. الجدير بالذكر أن أداء الجيروسكوب المدمج الدقيق يكافئ أداء الجيروسكوبات ذات الأحجام الكبيرة إضافة إلى أن تكلفته أقل بمقدار واحد من ألف من تكلفة الجيروسكوبات الكبيرة، مما يعني أن أجهزة الروبتات التي تعمل في المواقع الأرضية إضافة إلى بقية الأجهزة التي تحتاج الى تتبع المواقع ستكون لها القدرة على تحديد المواقع بدقة عالية عن طريق استخدام الجيروسكوب المدمج الدقيق. لفهم مدى جودة الجيروسكوب المدمج الدقيق من الضروري معرفة أداء تلك الجيروسكوبات الموجودة في هاتفك الذكي.

الجيروسكوب المدمج الدقيق الذي تم تطويره في جامعة ميشغيان

ما أهمية أجهزة الجيروسكوبات؟

يحتوي هاتفك على ثلاثة جيروسكوبات بالإضافة إلى ثلاثة مقاييس تسارع يتم دمجها في وحدة قياس القصور الذاتي التي تعرف اختصارًا ب «IMU» والتي يمكنها استشعار كل من التسارع والدوران في جميع المحاور الثلاثة- محور x ومحور y ومحور z – . من المحتمل أن يكلف ال«IMU» بضعة دولارات.هناك عاملان مهمان يحددان خصائص الجيروسكوب وهما الحساسية والدقة. تبلغ حساسية الجيروسكوبات حوالي 1000 درجة في الساعة ، مما يعني أنه إذا قضيت ساعة كاملة في تدوير هاتفك ببطء شديد ، فسوف يُلاحظ هذا الدوران إذا كان هناك ثلاث دورات أو أكثر خلال تلك الفترة ، ولكن إذا قمت بتدوير هاتفك بشكل أبطأ قليلاً حتى يدور مرتين فقط على مدار الساعة ، فسيكون الدوران بطيئًا للغاية بحيث يتعذر على الجيروسكوب اكتشافه. وهذا أمر جيد ، لأن هاتفك يهتم فقط باكتشاف التناوب الكبير والسريع-عشرات الدرجات في الثانية-، الذي يحدث مثلًا عندما تلتقط هاتفك أو تقلبه. إلى جانب الحساسية ، هناك أيضًا الدقة ،ويقصد بها مدى قرب الدوران المُقاس من قبل الجيروسكوب إلى مقدار الدوران الفعلي الحاصل .توجد في معظم المستشعرات نسبة خطأ في القياس، وهو ما يسمى بالتحيز وهو ما يقيسه المستشعر عندما يجب ألا يقيس أي شيء ، أو في حالة الجيروسكوب ، ما يقيسه الجيروسكوب عندما لا يتحرك الجسم المُقاس على الإطلاق. ولكن هذا التحيز في المستشعر لايمثل مشكلة بالنسبة للمهندسين طالما أن هذا التحيز ثابت . بمعنى آخر، إذا كان التحيز هو نفسه طوال الوقت ، فبالإمكان معايرته والحصول على نتائج دقيقة. أما إذا كان التحيز غير مستقر ، ويتغير بشكل غير متوقع ، فسيؤدي ذلك إلى انخفاض الدقة في المستشعر. يجب أن ننوه بأن التعريف التقني لحساسسة الجيروسكوب هو مقدار التغير في الجهد الكهربي بالنسبة لسرعة زاوية معينة وتقاس الحساسية ب مللي فولت/درجة /ثانية فمثلًا إذا كانت حساسية الجيروسكوب هي 30مللي فولت/درجة/ثانية فهذا يعني بأنه إذا تم تدوير الجيروسكوب بمقدار عشردرجات لكل ثانية فإن التغير في جهد الخرج سيكون بمقدار 300مللي فولت

بالنسبة للجيروسكوب النموذجي الموجود في هاتفك الذكي ، فإن عدم استقرار التحيز يتراوح من مئات إلى آلاف الدرجات في الساعة. مرة أخرى ، هذا جيد ، لأن هاتفك يهتم أكثر بقياس عشرات أو مئات الدرجات من التدوير ، وهو كل ما يحتاجه الهاتف للألعاب أو لتثبيت الكاميرا. إذن لماذا نهتم بالجيروسكوبات ذات الحساسية العالية والتحيز المستقر على الإطلاق؟ حسنًا ، قد لا يكون كل ذلك مناسبًا للهواتف الخلوية ، ولكنه بغاية الأهمية بالنسبة للغواصات والمركبات الفضائية والسيارات ذاتية القيادة والروبوتات الداخلية وأي شيء آخر تحتاج فيه إلى تتبع مكانك دون الاعتماد على ال «GPS». تستخدم جميع هذه الأنظمة وجدات قياس القصور الذاتي لتتبع موقعها النسبي، مع أخذ آخر موقفها المطلق المعروف -من «GPS» أو خريطة موجودة مسبقًا أو أيا كان -ثم الاعتماد على ال «IMU» للجمع بين القياسات المستمرة للتسارع والدوران لتقدير الحركة المتعلقة بموقعها.

تعتبر هذه الطريقة إحدى الطرق للحساب الميت المستخدم في الملاحة وتحديد المواقع ، ومثل أي طريقة أخرى للحساب الميت، تتراكم الأخطاء الصغيرة بمرور الوقت فكلما طالت فترة الاعتماد عليها، كلما كنت بعيدًا عن المسار. تستخدم الغواصات والمركبات الفضائية جيروسكوبات معقدة ومكلفة ومزودة بالليزر وغيرها من الادوات لتقليل هذه الأخطاء والانحراف الناتج عنها في الدقة الموضعية، ولكن بالنسبة إلى الروبوتات الأرضية والطائرات بدون طيار و -إلى حد ما- السيارات ذاتية القيادة فإن الحجم والكتلة والتكلفة عوامل ذات أهمية كبيرة أيضًا .حيث ينبغي أن يكون الجيروسكوب ذا حساسية عالية وأيضًا بنفس الوقت صغير الحجم وذا تكلفة منخفضة. ومن هنا تكمن أهمية الجيروسكوب المدمج الدقيق التابع لجامعة ميشيغان ، حيث أنه صغير وغير مكلف وأكثر دقة بآلاف المرات من الجيروسكوبات المستخدمة في الهواتف الذكية. يكمن سر هذا المستوى من الدقة في قلب الجيروسكوب الذي يتكون من هيكل تذبذبي من الزجاج المطلي بالمعدن النقي للغاية .

كيف يعمل الجيروسكوب؟

قبل البدء بالحديث عن كيفية عمل الجيروسكوب، تجدر الأشارة إلى أنه يوجد العديد من الأنواع المختلفة للجيروسكوب ولكن جمعيها تؤدي نفس الوظيفة وهي إما قياس الاتجاه أو المحافظة على إتجاه معين. يمكن تصنيف الجيروسكوب إلى نوعين رئيسيين : الجيروسكوب الميكانيكي والجيروسكوب الالكتروني. يتكون الجيروسكوب الميكانيكي من عجلة أو كرة غزل يُطلق عليها الدوار، ونظام إسناد. وعندما يبدأ الدوار فى الحركة فإن الجيروسكوب يقاوم أى محاولة لتغيير اتجاه دورانه. ومن أجل هذه الخاصية يستخدم الجيروسكوب كثيرًا فى الطيران وفى معدات الملاحة. يعطى الجيروسكوب معلومات عن مسار الطيران دون تأثُّر بالاضطرابات أو الدوامات الهوائية. أما الجيروسكوب الالكتروني فهو عبارة عن جهاز إلكتروني يؤدي نفس وظيفة الجيروسكوب الميكانيكي وتتكون من نظام اسناد وذراعات إهتزازية بالإضافة إلى دوائر إلكترونية تعمل على تحويل السرعة الزاوية المقاسة إلى جهد كهربي يتم إرساله إلى معالج حاسوبي لمعالجة هذه الإشارة وإصدار التعليمات على ضوءها. في الوضع الطبيعي تهتز ذرعات الجيروسكوب المصنعة من الكوارتز أو السيراميك أو السيلكون بإتجاه معين -مثلًا في الإتجاه الأفقي- وعندما يحصل دوران للجسم المدمج فيه الجيروسكوب أو تغير في إتجاهه يبدأ الجيروسكوب أيضًا بالدوران ونتيجة ل« تأثير كوريوليس – coriolis effect» على الذراعات المهتزة، ينتج أهتزاز رأسي بدلًا من الأفقي ويؤثر على نظام الإسناد أو الجزء الثابت من الجيروسكوب مما يؤدي إلى إنحناءه ويتم استشعار هذا الانحناء الذي يعبر عن السرعة الزاوية وتحويله إلى جهد كهربي.

صورة للمكونات الداخلية للجيروسكوب المدمج الدقيق ويظهر فيها المرنان المصمم على شكل كأس النبيذ

مميزات الجيروسكوب المدمج الدقيق

يمكنك أن تتخيل الجيروسكوب المدمج الدقيق مثل كأس نبيذ زجاجي مهتز، عندما تقوم بضرب كأس النبيذ بلطف سيبدأ بالاهتزاز وإذا ألقيت نظرة من أعلى الكأس ستلاحظ أن هذا الإهتزاز يأخذ شكل حافة الكأس ومع إهتزازه ذهابًا وإيابًا يتغير هذا الشكل من شكل دائرة إلى شكل قطع ناقص . الآن إذا قمت بتدوير هذا الكأس المهتز فنتيجة لتأثير كوروليوس ستتولد حركة أهتزازية على المحور الرأسي ومنها يمكن قياس مقدار هذا الدوران. توجد العديد من الميزة لتصميم « مرنان – resonator» الجيروسكوب على شكل كأس نبيذ أهمها هو الشكل المحوري أو الشكل المتناظر حول المحور المركزي الذي يزيد من حساسية الجيروسكوب. وأيضًا يمتاز مرنان الجيروسكوب المصمم على شكل كأس النبيذ بقيمة عالية “لمعامل كيو” « معامل كيو – Q factor» وهو عبارة عن نسبة الطاقة المخزنة في المرنان إلى كمية الطاقة التي يفقدها المرنان في كل مرة يهتز فيها. والسبب وراء أهمية “معامل كيو” هو أنه يجب أن يكون الإهتزاز الأساسي للمرنان نقي قدر الإمكان وخالي من التشوهات وذلك لنقل الإهتزاز من محور إلى آخر بكفاءة عالية وبنسبة ضوضاء أقل . بالاضافة إلى ذلك، بلغت دقة كشف الحركة للجيروكسوب المدمج الدقيق حوالي 0.0014 درجة لكل ساعة أي بمعنى آخر أنه أفضل من الجيروسكوبات الموجودة في هاتفك الذكي بمقدار عشرات الالاف من المرات الأمر الذي يجعل الجيروسكوب المدمج الدقيق قادرًا على استشعار حركة الأرض بسهولة ويسر!

المصادر

كيف تمكن نورمان بورلوغ من إنقاذ الملايين من الجوع؟

الأب الروحي للثورة الخضراء: كيف تمكن نورمان بورلوغ من إنقاذ الملايين من الجوع؟

يقول نورمان بورلوغ، الفائز بجائزة نوبل للسلام لسنة 1970:

“لا يمكنك بناء السلام على معدة فارغة”

ولد المهندس الزراعي الذي أنقد الملايين من الجوع، يوم 25 مارس من سنة 1914 في ولاية آيوا وتوفي في 12 سبتمبر من سنة 2009 في مدينة دالاس بولاية تكساس الأمريكية. دائما ما يرتبط تعبير “الثورة الخضراء- The green revolution” باسم نورمان بورلوغ. فماهي هذه الثورة؟

كيف تمكن نورمان بورلوغ من إنقاذ الملايين من الجوع؟

تشير الثورة الخضراء إلى زيادة كبيرة في إنتاج الحبوب الغذائية (لا سيما القمح والأرز). وكانت بدايات نجاح هذه الثورة في المكسيك وشبه القارة الهندية. تتطلب الأصناف الجديدة من الحبوب الغذائية كميات هائلة من الأسمدة الكيميائية ومبيدات الحشرات لإنتاج المردودات المرتفعة. بالرغم من دورها الفعال في محاربة الجوع إلا أن هذه التقنية تثير القلق بشأن الآثار البيئية المحتملة والتكاليف.

حصل نورمان على الدكتوراه في سن 27 عاما، وذلك بفضل بحثه في حماية النباتات. وعمل في المكسيك في أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين لجعل البلاد مكتفية ذاتياً من الحبوب الغذائية بفضل التقنيات الجديدة للثورة الخضراء. أوصى بورلوغ بتحسين أساليب الزراعة، وعثر على سلالة قوية من القمح (القمح القزم) المتكيفة مع الظروف المكسيكية. وبحلول سنة 1957، أصبحت البلاد مكتفية ذاتيا من القمح.

كان النجاح في المكسيك سبباً في جعل بورلوج مستشاراً زراعيا مرغوباً في البلدان التي لم يكن إنتاجها الغذائي يواكب نموها السكاني. وفي منتصف الستينيات، قدم القمح القزم إلى الهند وباكستان، وازداد الإنتاج بشكل كبير. والواقع أن تعبير “الثورة الخضراء” جعل اسم المهندس نورمان بورلوج معروفاً خارج الدوائر العلمية، ولكنه كان يؤكد دوماً على أنه جزء فقط من فريقه.

ويجدر بالذكر أن نورمان بورلوج من مناصري تقنيات ضبط النسل بغية تحقيق توازن بين النمو السكاني والإنتاج الغذائي.

المصادر: Nobel Prize, Britanica

ما هي أجهزة التنفس الصناعي؟ ولماذا يُعد تصنيعها تحديًا؟

تسبب فيروس كورونا المستجد في خلق أزمة حادة في نقص أجهزة التنفس الصناعي حيث يلقى الالاف من الأشخاص يوميًا حتفهم بسبب عدم توفر القدر الكافي من هذه الأجهزة. وفي إطار توفير القدر الكافي من أجهزة التنفس الصناعي سارعت شركات السيارات العملاقة مثل «فورد –Ford» و «جنرال موتورز –General Motors» و «تسلا –Tesla» في تخصيص خطوط إنتاج في مصانعها لتصنيع هذه الأجهزة، في حين قامت شركة «ميدترونك – Medtronic» المتخصصة في إنتاج الأجهزة الطبية بإسقاط كافة الحقوق الملكية والفكرية عن منتجات أجهزة التنفس الصناعي التي تمتلكها وجعلها متاحة للجميع من أجل البدء في إنتاج هذه الأجهزة لسد النقص الحاد التي تعاني منه المستشفيات والدور الصحية. في هذا المقال سنتعرف على كيفية عمل أجهزة التنفس الصناعي ولماذا يُعد هذه الأجهزة أمرًا بالغ التعقيد.

كيفية عمل أجهزة التنفس الصناعي

هي عبارة عن أجهزة ميكانيكية-كهربية تُستخدم لإمداد الأكسجين للمرضى الذين يعانون من أمراض تنفسية مزمنة تؤثر على الرئتين، بما في ذلك الالتهاب الرئوي. قبل أن يوصل جهاز التنفس الصناعي للمريض يقوم الأطباء بعملية تسمى «التنبيب–intubation» حيث يتم ربط جهاز التنفس الصناعي بالمجاري الهوائية للرئة عن طريق الفم أو الأنف وذلك بعد تخديره من أجل إرخاء عضلاته. وفي بعض الحالات الخطيرة أو طويلة المدى، يتم توصيل أنبوب التنفس مباشرة بالقصبة الهوائية من خلال ثقب صغير في الرقبة يتم فتحه بعملية جراحية. بعد ذلك يُربط أنبوب التنفس بجهاز ضخ الهواء ويقوم الطاقم الطبي بضبط المعدل الذي يدفع الأكسجين إلى الرئتين وضبط مزيج الأكسجين المناسب. يحتاج جهاز التنفس الصناعي إلى الكهرباء لتشغيله وتشغيل المستشعرات المرتبطة به، ويمكن أن يعمل بعض الأنواع على البطارية.

كيفية عمل أجهزة التنفس الصناعي

شركات السيارات العملاقة تدخل في خط الإنتاج

في إطار السعي لمواكبة الطلب المتزايد على أجهزة التنفس الصناعي قامت شركات السيارات العملاقة بالبدء في تصنيع أجهزة التنفس الصناعي بعدما صرح الرئيس ترامب باستخدام قانون الإنتاج الدفاعي. أعلنت شركة جنرال موتورز عن تعاون مشترك مع شركة «فينتك –Ventec Life Systems» المتخصصة بإنتاج أجهزة التنفس وذلك لرفع الطاقة الإنتاجية لشركة فينتك إلى تصنيع أكثر من 10000 جهاز تنفس في الشهر، حيث سيتم إنتاج بعض الأجهزة في مقر شركة جنرال موتورز في ولاية إنديانا ومن المتوقع تسليم الدفعة الأولى من هذه الأجهزة خلال شهر إبريل. أما شركة فورد فأعلنت من جانبها بأنها تعمل مع شركة «جنرال إلكتريك للرعاية الصحية –GE Healthcare» وذلك لزيادة الطاقة الإنتاجية لأجهزة التنفس حيث تخطط شركة فورد إلى إنتاج 50000 جهاز تنفس في غضون المائة يوم القادمة وذكر نائب الرئيس ومسؤول خطوط الإنتاج لشركة فورد «جيم بومبيك –Jim Baumbick» أن الشركة حولت اهتمامها لتقنيات الرعاية الصحية وعقدت اتفاقات مع بعض الموردين لتوريد بعض مكونات أجهزة التنفس حتى لا تواجه شركة جنرال إلكتريك للرعاية الصحية اختناقات في سلسة التوريد الخاصة بها.

تسعى شركة فورد إلى تصنيع خمسين ألف جهاز تنفس خلال المائة يوم القادمة

مبادرة شركة ميدترونك

أعلنت شركة ميدترونك الرائدة في مجال تصنيع الأجهزة الطبية عن تخليها عن كافة الحقوق الملكية والفكرية لجاهز التنفس الاصطناعي الخاص بها ونشرت على موقع الالكتروني الدوائر الالكترونية وملفات المواصفات القياسية وملفات التصميم والتجميع وأيضًا ملفات اختبارات الجودة أثناء التصنيع. وذكرت بأن بقية الملفات سيتم رفعها على الموقع بالتدريج وحثت بقية الشركات على البدء بإنتاج أجهزة التنفس الصناعي. ومن جانبها، صرحت شركة مدترونيك إنها عززت بالفعل إنتاجها من أجهزة التنفس الصناعي بزيادة 40٪ أسبوعيًا منذ يناير، وذلك من خلال وضع خطوط التجميع الخاصة بها على جدول زمني يعمل على مدار 24 ساعة. وتخطط الشركة لزيادة الإنتاج بنسبة 200٪ أخرى على مدى الأسابيع القليلة القادمة من خلال مضاعفة عدد العاملين في خطوط الإنتاج الحالية.

لماذا يعد تصنيع أجهزة التنفس تحديًا ؟

في حقيقية الأمر، ليس بالأمر الهين صناعة جهاز تنفس صناعي. يجب أن يمتاز جهاز التنفس بالموثوقية عالية وأن يتم معايراة كل المستشعرات المرتبطة بالجهاز باستمرار لضمان أن تعطي قراءات صحيحة لحالة ضغط الهواء والحرارة ومعدل تدفق الأكسجين وأيضًا يجب أن تكون المعالجات المستخدمة في الجهاز على قدر عالي من الكفاءة والأداء حيث أن وجود خطأ صغير في التعليمات التي يصدرها المعالج قد يودي بحياة المريض. يجب الإشارة بأنه ليست كل أجهزة التنفس متشابهة فبعضها أكثر تعقيدًا من البعض الآخر. ففي حالة إذا كانت رئتي المريض ب «فيروس كورونا المستجد –COVID-19» متدهورة، فقد يتطلب أجهزة تنفس متطورة تصل تكلفتها إلى 50000 دولار. وينبغي أن تُصَمّم هذه الأجهزة بدقة للمرضى ويجب تشغيلها من قبل أخصائيين طبيين ذوي قدر عالي من التدريب.

ظهرت مؤخرًا محاولات لتصميم جهاز تنفس صطناعي بأقل تكلفة وذللك اعتمادًا على طريقة قديمة تسمى«أنبوبة أمبو –Ambue bag» . تُستخدم أنبوبة أمبو لإمداد المرضى بالاكسجين يدويًا بالضغط عليها من قبل شخص من الكادر الطبي . الطريقة الجديدة هي بدلًا من ضغطها يدويًا ، يتم ضغط أنبوبة أمبو بطريقة آلية باستخدام محركات خاصة. لكن هذه ليست موثوقة، فالتنفس الصناعي ليس مجرد إدخال الهواء لرئتي المريض، بل هناك عوامل هامة يجب أخذها بعين الاعتبار . من أهم هذه العوامل هي الأضرار الجانبية لعملية التنفس الميكانيكي. ففي عملية التنفس الطبيعي أثناء الشهيق ، ينخفض الحجاب الحاجز، وهو عضلة تشبه القبة وتقع بين الصدر وتجويف البطن. يتسبب ذلك في توسيع القفص الصدري وينخفض الضغط داخل الرئتين -يتناسب الحجم عكسيًا مع الضغط-، ونتيجةً لذلك يُسحب الهواء إلى الداخل وذلك لأن الضغط داخل الرائتين أقل من ضغط الهواء الجوي. وفي أثناء الزفير يرتخي الحجاب الحاجز وتنكمش الرئتان طبيعيًّا، ومن ثم يندفع الهواء برفق إلى الخارج. أما طريقة التنفس الميكانيكية فلا تعمل بهذا المبدأ فهي تقوم فقط بإجبار الهواء إلى الدخول لرئتي المريض، إذا لم يتم التحكم بهذه العملية بدقة، سيؤدي ضغط الهواء القوي إلى الضغط على الحجاب الحاجز والإضرار بالمريض بشكل كبير. بالاضافة إلى ذلك تقوم أجهزة التنفس الميكانيكية بإمداد المريض بالأكسجين في كل الأوقات بغض النظر عن حوجته لذلك فمثلًا النموذج الصناعي المقدم من «MIT» يوفرمن 5 إلى 30 نفسًا في الدقيقة الواحدة ويعتبر مفيد في بعض الحالات وليس كلها .أما أجهزة التنفس الصناعي المتقدمة ذات الكفاءة العالية فهي تمد الهواء إلى المريض فقط عند حوجته وبالمعدل المناسب. حيث تقوم بتشغيل أو إطفاء إمداد الأكسجين بناءً على حالة المريض وتتم عملية التشغيل والأطفاء اعتمادًا على طرق عدة أهمها هي قياس معدل تفقد الهواء إلى الرئتين بواسطة مستشعر كهربي .

استخدام أنبوبة أمبو بشكل آلي لصناعة جهاز تنفس منخفض التكلفة

المصادر

كيفية تسخير الحرارة لإمداد المستشعرات المرنة بالكهرباء

تتطلب تقنيات الرعاية الصحية الحديثة والعديد من التطبيقات المستقبلية الأخرى اتصالًا بالإنترنت لربط عدد هائل من المستشعرات ببعضها البعض. تعمل هذه المستشعرات على تحويل الإشارات الفيزيائية كالضغط والحرارة و الصوت والضوء ..إلخ، إلى إشارات كهربائية ليتسنى معالجتها حاسوبيًا واستخدامها في التطبيقات المختلفة. يجب أن تتميز هذه المستشعرات بالعديد من الخصائص كالموثوقية والمرونة إضافة قلة التكلفة الاقتصادية. تُستخدم المستشعرات المرنة والرقيقة في العديد من التطبيقات كصناعة الوشوم الالكترونية و إنتاج البشرة الاصطناعية، إضافة إلى كونها عنصر أساسي في«الروبتات الناعمة –soft robotics» التي تتعامل بشكل رئيسي مع المواد الطرية اللينة كالجلد الطبيعي والأنسجة العضلية والأعضاء الداخلية الحساسة. معظم هذه المستشعرات تتطلب وجود مصدر تغذية كهربائية لإمدادها بالكهرباء حتى تعمل لذا يسعى الباحثون إلى تطوير مصادر أخرى غير البطاريات لتشغيل هذه الأجهزة وذلك لأن استبدال البطاريات باستمرار أمر مكلف وصعب.

نبذة عن المولدات الكهروحرارية

يُعرف« المولد الكهروحراري – Thermoelectric power generator» أو اختصارًا «TEG» بأنه جهاز يعمل على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية عن طريق « التأثير الكهروحراري – Thermoelectric Effect»حيث يتكون من مزدوج حراري شبه موصل أحدهما من النوع P والأخر من النوع N بالإضافة إلى أقطاب معدنية وقاعدة عازلة. يوضع أحد أطراف شبه الموصل في وسط ساخن والطرف الأخر في وسط ساخن ونتيجة لفرق درجة الحرارة ينشأ جهد كهربائي يسمح بمرور حاملات الشحنة في شبه الموصل أي بمعنى أخر يسري تيار كهربائي في الدائرة. يتناسب الجهد الكهربائي المتولد طرديا مع فرق درجة الحرارة بين الطرف الساخن والطرف البارد كما هو موضح في الشكل أدناه .

**شكل توضيحي لمكونات المولد الكهروحراري**

استخدام التأثير الكهروحراري في تشغيل المستشعرات المرنة

في دراسة نشرت ف مجلة« Advanced Materials Technologies» كشف باحثون من« جامعة أوساكا – Osaka University »عن كيفية تسخير الحرارة لإمداد المستشعرات المرنة بالكهرباء باستخدام التأثير الكهوحراري، أو تحويل اختلافات درجة الحرارة إلى كهرباء، على النحو الأمثل لتشغيل الأجهزة الصغيرة والمستشعرات المرنة . بيّنت دراستهم لماذا لم يصل أداء الجهاز الكهروحراري حتى الآن إلى كامل إمكاناته. لدى المولدات الكهروحرارية العديد من المزايا، فعلى سبيل المثال، لا تحتاج إلى مصادر ميكانيكية لتوليد الجهد الكهربي، ولا تحتوي على أجزاء متحركة وتتميز بالاستقرار أثناء عملها وبالموثوقية . وعلى النقيض لا تملك الطاقة الشمسية أوالطاقة الاهتزازية كل هذه المزايا. تستخدم شركات الطيران والعديد من الصناعات الأخرى التأثير الكهروحراري. ومع ذلك، فإن التطبيقات على الأجهزة الرقيقة والمرنة لازالت في بداياتها . حسّن العديد من الباحثين أداء الأجهزة المرنة عن طريق تحسين المواد المستخدمة في المزدوج الحراري فقط. بينما في هذه الدراسة يوضح الباحث « توهرو سوغاهارا – Tohru Sugahara» “نهجنا هو دراسة « التلامسات الكهربائية – Electrical contacts » ، أو المفتاح الذي يشغل الجهاز ويغلقه”.حيث تعتمد كفاءة أي جهاز بشكل حاسم على مقاومة هذه التلامسات.”

المواد المستخدمة في البحث

استخدم الباحثون ماكينات هندسية متقدمة لصنع شبه موصل« تيلورايد البزموث – Bismuth Telluride »على غشاء بوليمر رقيق يزن 0.4 جرام، ومساحته 100 مليمتر مربع. يزن هذا الجهاز أقل من مشبك الورق، وهو أصغر حجمًا من ظفر إنسان بالغ . تمكن الباحثون من توليد كثافة قدرة كهربائية تبلغ قيمتها القصوى 185 مللي واط لكل سنتيمتر مربع. يقول سوغاهارا: “إن القدرة المتولدة تفي بالمواصفات القياسية لأجهزة الاستشعار المحمولة والقابلة للارتداء”. وبالرغم من ذلك، بلغت نسبة القدرة الكهربائية المفقودة حوالي 40 % ويضيف تورو سوغاهارا: “يجب على الباحثين أن يركزوا على تحسين مقاومة التلامسات الحرارية والكهربائية وذلك لتحسين كفاءة الطاقة المتولدة بشكل أكبر بشكل أكبر” .

**المواد المستخدمة في التجربة وتأثير درجات الحرارة المختلفة على كمية الطاقة المتولدة**

خلاصة البحث

تلعب كل من المقاومة الكهربائية والحرارية للتلامسات دورًا هامًا في تحديد كفاءة وفاعلية الأجهزة الكهروحرارية الدقيقة فعند مرور التيار في هذه الأجهزة تتولد حرارة عند مناطق الربط بين مكونات الجهاز ويحدث فقد للجهد الكهربي لذا من الضروري مراعاة تقليل كل من المقاومة الكهربائية والحرارية عند تصنيع هذه الأجهزة.

المصادر

Advanced Materials Technologies Magazine

TechEplore

Thermoelectricsolutions

ما هو تأثير ظاهرة الكورونا على خطوط النقل الكهربائية ؟

ما هي ظاهرة الكورونا ؟

إذا سبق أن مررت بجانب خطوط الضغط العالي الكهربائية فلابد أن سمعت صوتًا غريبًا يشبه صوت الأزيز يصدر من هذه الخطوط. يُعزى ذلك الصوت إلى ظاهرة التفريغ الهالي أو «ظاهرة الكورونا-Corona Phenomenon». تحدث هذه الظاهرة نتيجة لتأين الهواء المحيط بخطوط الضغط العالي في صورة مجال كهربائي غير منتظم ويمكن ملاحظة ذلك على خطوط النقل الكهربائية في صورة وميض لامع مائل للزرقة وتكون هذه الظاهرة مصحوبة بصوت أزيز وإنتاج غاز الأوزون.

كيف تنشأ ظاهرة الكورونا ؟

لكي تصل الكهرباء إلى المستهلكين لابد من نقلها من مناطق التوليد إلى مناطق الاستهلاك ويتم استخدام خطوط النقل الكهربائية للقيام بهذه المهمة. ولكن قبل نقل القدرة الكهربائية يتم رفع الجهد الكهربائي في مناطق التوليد عن طريق محولات رفع وبما أن القدرة تساوي الجهد الكهربي مضروبا بالتيار (P=V*I) أي أنها ثابتة لذا تقوم محولات «محولات رفع الجهد-Step-up Transformers» برفع الجهد الكهربي إلى قيم عالية مثل 110 كيلوفولت وبنفس الوقت يتم إنقاص التيار و ذلك لأجل تقليل الفقد في القدرة أثناء النقل لأن القدرة المفقودة تتناسب طرديا مع مربع التيار لذا كلما كانت قيمة التيار قليلة كلما كان الفقد في القدرة أقل . ولكن القيمة العالية للجهد الكهربائي تؤدي إلى إنهيار عازلية الهواء المحيط بخطوط النقل أو بمعنى آخر يتحول الهواء من مادة عازلة للتيار الكهربي إلى مادة موصلة للتيار نتيجة لتأين ذرات الهواء وبالتالي تنشأ ظاهرة التفريغ الهالي أو الكورونا.

عموما لكي تحدث ظاهرة التفريغ الهالي يجب أن يتحقق ما يلي:

وجود فرق كهربائي عالي في خطوط النقل : يُسمّى أقل جهد كهربائي مطلوب لحدوث ظاهرة التفريغ الهالي ب «جهد الانهيار الحرج-critical disruptive voltage» ويقدر بحاولي 30KV.
أن تكون المسافة بين الخطوط الكهربائية أكبر مقارنةً بقُطر هذه الخطوط، فكلما زادت المسافة الفاصلة بين الخطوط مقارنة بقطر هذه الخطوط، زادت احتمالية حدوث ظاهرة التفريغ الهالي.

**تأين جزيئات الهواء المحيطة بالموصلات الكهربائية**

العوامل المؤثرة على ظاهرة الكورونا

إضافة لفرق الجهد العالي، هناك عوامل أخرى تزيد من إحتمالية حدوث ظاهرة الكورونا. ومن هذه العوامل:

حالة الطقس : بما أن تدرج الجهد الكهربائي لانهيار عازلية الهواء يتناسب طرديًا مع كثافة الهواء. لذا إذا كان الطقس عاصف ، فبسبب تدفق الهواء المستمر ، فإن عدد الأيونات الموجودة حول الموصل أكثر بكثير من المعتاد ، وبالتالي فمن المرجح أن يكون هناك تفريغ كهربائي في خطوط النقل في مثل هذا اليوم .
حالة الموصلات : تعتمد ظاهرة الكورونا بشكل كبير على الموصلات وحالتها المادية حيث تتناسب تناسبًا عكسيًا مع قطر الموصلات. أي مع زيادة القطر . وأيضًا وجودالأوساخ أو خشونة الموصل يقلل من جهد الانهيار الحرج، مما يجعل الموصلات أكثر عرضة لظاهرة التفريغ الهالي.
المسافة بين الموصلات: تحدث ظاهرة الكورونا إذا كانت المسافة بين الوصلات أكبر مقارنةً بقطر الموصل، ولكن إذا زادت المسافة عن حد معين سيقل فرق الجهد المطبق على جزيئات الهواء وبالتالي لن تحدث هذه الظاهرة.

سلبيات ظاهرة الكورونا

تؤدي ظاهرة التفريغ الهالي إلى حدوث فقد في القدرة الكهربائية، تآكل الموصلات نتيجة لعملية الأكسدة وتكوين غاز الأوزون، إضافة إلى التشويش الكهرومغناطيسي الذي يؤثر على خطوط الاتصالات المجاورة.

كيف يمكن التقليل من ظاهرة الكورونا

يمكن الحد من هذه الظاهرة باستخدام عدة طرق فمثلًا زيادة المسافة الفاصلة بين الموصلات ولكن هذا الحل غير مجدٍ اقتصاديًا لأنه سيؤدي إلى زياد حجم البرج وارتفاع التكلفة. الحل الآخر هو زيادة مساحة مقطع الموصل الكهربي ولكن هذا أيضا مكلف اقتصاديًا. لذا ابتكر المهندسون طريقة لزيادة مساحة مقطع الموصل عن طريق استخدام «الموصلات الحُزمية-bundled conductors» وذلك بجعل موصل «الوجه-Phase» الواحد عبارة عن موصلين أو أكثر ثم عمل «قصر للدائرة- short circuit» على هذه الموصلات وبالتالى يزيد المقطع المكافئ لكل موصل ومن ثم يقل المجال المحيط به فلا تتأين ذرات الهواء.

**تستخدم الموصلات الحزمية للحد من ظاهرة التفريغ الهالي**

المصادر:

IEEE

Electrical Technology by b.l. theraja

sciencedirect

electrical4u

ما هي جائزة الآغا خان للهندسة المعمارية ؟

تمنح جائزة الآغا خان للهندسة المعمارية كل ثلاث سنوات لمشاريع ذات معايير جديدة للتميز في الهندسة المعمارية وممارسات التخطيط والمحافظة على التاريخ وهندسة المناظر الطبيعية. من خلال جهودها، تسعى الجائزة إلى تحديد وتشجيع بناء المفاهيم التي تلبي بنجاح احتياجات وتطلعات المجتمعات في جميع أنحاء العالم. تؤكد عملية الاختيار على الهندسة المعمارية التي لا توفر فقط احتياجات الأشخاص المادية والاجتماعية والاقتصادية، ولكنها تحفز أيضا توقعاتهم الثقافية وتستجيب لها. يتم إيلاء اهتمام خاص للمخططات التي تستخدم الموارد المحلية والتكنولوجيا المناسبة بطرق مبتكرة، وللمشاريع التي من المحتمل أن تلهم جهودا مماثلة في أماكن أخرى. يحكم الجائزة لجنة توجيهية يرأسها صاحب السمو الآغاخان. يتم تشكيل لجنة جديدة في كل دورة لوضع معايير الأهلية لتقديم المشاريع، وتوفير التوجيه المواضيعي استجابة للأولويات والقضايا الناشئة، ووضع خطط لمستقبل الجائزة. اللجنة التوجيهية مسؤولة عن اختيار وتعيين لجنة التحكيم الرئيسية لكل دورة من دورات الجائزة، وعن برنامج الجائزة للندوات والمحاضرات والمعارض والمنشورات الدولية. يبلغ إجمالي صندوق الجوائز الحالي 1،000،000 دولار أمريكي ويتم تقديمه للمشاريع التي تختارها لجنة تحكيم رئيسية مستقلة. وهو ما يعترف بجميع الأطراف المشاركة في تصميم وتنفيذ مشروع مبني. علاوة على ذلك، لا تكافئ الجائزة المهندسين المعماريين فحسب، بل تحدد أيضا البلديات والبنائين والعملاء والحرفيين والمهندسين الذين لعبوا أدوارا مهمة في تنفيذ المشروع. أكملت الجائزة 13 دورة من النشاط منذ عام 1977، وتم تجميع الوثائق على أكثر من 8000 مشروع بناء في جميع أنحاء العالم. حتى الآن، اختارت هيئات المحلفين الرئيسية 110 مشاريع لاستلام جائزة الآغاخان للعمارة. جائزة الآغا خان للهندسة المعمارية هي جزء من صندوق الآغا خان للثقافة، الذي يضم مجموعة واسعة من الأنشطة التي تهدف إلى الحفاظ على التراث المادي والروحي للمجتمعات وتعزيزه. بصفتها الوكالة الثقافية لشبكة الآغا خان للتنمية فإن الصندوق الاستئماني يعزز التراث الثقافي كوسيلة لدعم وتحفيز التنمية. 1

والمشاريع ال 6 التي حازت على هذه الجائزة العام الفائت 2019 هي:

البحرين: إحياء المحرق بدأ المشروع، لأول مرة كسلسلة من مشاريع الترميم وإعادة الاستخدام. تطور المشروع ليصبح برنامجا شاملا يهدف إلى إعادة التوازن بين التركيبة السكانية للمدينة من خلال إنشاء مساحات عامة وتوفير أماكن مجتمعية وثقافية وتحسين البيئة العامة.

بنغلاديش: مشروع أركاديا التعليمي المشروع هو هيكل نموذجي يأخذ نهجا جديدا لموقع النهر الذي غالبا ما تغمره المياه لمدة خمسة أشهر كل عام. بدلا من تعطيل النظام الإيكولوجي لإنشاء تل للبناء، ابتكر المهندس المعماري حل بنية برمائية يمكن أن تجلس على الأرض أو تطفو على الماء، اعتمادا على الظروف الموسمية.

فلسطين: المتحف الفلسطيني في بيرزيت حصل مشروع بيرزيت، الذي يتوج تلة مدرجات مطلة على البحر المتوسط ، على شهادة LEED الذهبية بسبب بنائها المستدام. إن الأشكال المتعرجة لعمارة المتحف وحدائق التلال مستوحاة من التراسات الزراعية المحيطة، مما يؤكد الارتباط بالأرض والتراث الفلسطيني.

الاتحاد الروسي: برنامج تطوير الأماكن العامة، في كازان، جمهورية تتارستان. قام برنامج في جمهورية تتارستان، بتحسين 328 مساحة عامة في جميع أنحاء تتارستان. سعى البرنامج الطموح لمواجهة الاتجاه نحو الملكية الخاصة من خلال إعادة تركيز الأولويات على المساحات العامة عالية الجودة لشعب تتارستان. لقد أصبح الآن نموذجا في جميع أنحاء الاتحاد الروسي.

السنغال: وحدة التعليم والبحث بجامعة أليون ديوب، في بامبي. يحتوي المشروع في بامبي، حيث أدت ندرة الموارد إلى استخدام استراتيجيات مناخية حيوية، على مظلة سقف مزدوجة كبيرة وأعمال شبكية تتجنب الإشعاع الشمسي ولكنها تتيح تدفق الهواء عبره. من خلال استخدام تقنيات البناء المألوفة واتباع مبادئ الاستدامة، نجحت في الحفاظ على التكاليف ومتطلبات الصيانة إلى الحد الأدنى، مع الاستمرار في إصدار بيان معماري جريء.

الإمارات العربية المتحدة: مركز واسط للأراضي الرطبة، في الشارقة. هو عبارة عن تصميم تحول الأراضي القاحلة إلى أرض رطبة ويعمل كمحفز للتنوع البيولوجي والتعليم البيئي. على الرغم من استعادة نظامها البيئي الأصلي، فقد أثبت أيضا أنه مكان شهير للزائرين ليقدروا ويتعرفوا على بيئتهم الطبيعية. 2

المصادر:

1_https://www.akdn.org/aga-khan-award-architecture

2_https://www.archdaily.com/923923/the-2019-winners-of-the-aga-khan-award-for-architecture

ما هو نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية ؟

هذه المقالة هي الجزء 12 من 22 في سلسلة موضوعات تأسيسية في الطاقة المتجددة

تقنية جديدة لتخزين الطاقة المتجددة

إنّ ما يُعيب الطاقة المتجددة هو عدم الاستمرارية في التوليد نتيجةً للطبيعة المتقطعة لمصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وبالتالي فإن دمج هذه المصادر في الشبكات الكهربائية يعدُّ أمراً صعباً؛ لأن هذا يتطلب مصدر طاقة ثابت. لتوفير الطاقة من غير انقطاع، يجب أن تخزِّن مشغلات الشبكات الكهربائية طاقة إضافية يتم انتاجها عند سطوع الشمس أو عند هبوب الرياح، بحيث يمكن توزيع هذه الطاقة عندما تكون الشمس غائبة أو الرياح متوقفة. لكن الآن أصبح بالإمكان تخزين الطاقة المتجددة لفترات طويلة الأمد بفضل نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية.

أجهزة التخزين التقليدية

تُعد بطاريات الليثيوم- ايون أشهر أنواع البطاريات المستخدمة لتخزين الشحنات الكهربائية وتستخدم في مختلف أنواع الأجهزة الإلكترونية وبعض محطات تخزين الطاقة ولكن هذه البطاريات مناسبة فقط للتخزين قصير الأمد وذلك لأن الشحنات المُخزنة ستُفقد مع مرور الوقت. ولتخزين الطاقة لمدة طويلة -أشهر أو سنوات- فإن ذلك يتطلب استخدام العديد من البطاريات وهذا الخيار غير مجدٍ اقتصاديًا.

نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية

ابتكر فريق بحث هندسي في المعهد الدولي لتحليل النظم التطبيقية في النمسا بقيادة المهندس «جوليان هانت-Julian Hunt» نظاماً جديداً لتكملة استخدام بطاريات أيونات الليثيوم لتخزين الطاقة على المدى الطويل. يدعى هذا النظام ب نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية «Mountain Gravity Energy Storage» أو اختصارًا ب «MGES». وعلى غرار نظام الطاقة الكهرومائية، يعمل نظام «MGES» على تخزين المواد على ارتفاع معين لإنتاج طاقة الجاذبية الأرضية. يتم استرجاع الطاقة عندما تسقط المواد المُخزنة مما يؤدي إلى تحريك زعانف «التربينات-turbines» فتتولِّد الطاقة.

يقول هانت : “بدلاً من إنشاء سد، نقترح بناء خزان كبير مصنوع من الرمل أو الحصى”. إنّ مفتاح نظام «MGES» يكمُن في إيجاد موقعين على قمة الجبل لهما فرق ارتفاع مناسب – يعتبر ارتفاع 1000 متر ارتفاعًا مثاليًا وكلما زاد فرق الارتفاع، كلما قلت تكلفة التكنولوجيا المستخدمة”.

ستبدو المواقع متشابهة، حيث سيتكوّن كلاهما من محطة تشبه النفق لتخزين الرمال أو الحصى، ومحطة للتعبئة تقع تحتها مباشرةً. ستقوم الصمامات بإخراج المواد إلى أوعية انتظار، والتي لاحقاً سوف تُنقَل عبر الكوابل والرافعات إلى الموقع العلوي. وهناك، سوف يتم تخزين الرمال والحصى إلى أسابيع أو شهور أو حتى عدة سنوات، حتى يصبح جاهزاً للاستخدام. عندما يتم نقل المواد لأسفل الجبل، سوف تتحرر طاقة الجاذبية المخزّنة وسوف يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية.

**مخطط توضيحي ل نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية**

حسابات رياضية لكمية الطاقة المخزنة

تحسب الطاقة المخزنة من خلال المعادلة التالية:

حيث تتناسب كمية الطاقة المخزنة تناسبًا طرديًا مع كلٍ من:

كتلة الرمل أو الحصى m_s
فرق الارتفاع بين الجبل و الأرض h
عجلة الجاذبية الأرضية g
مفاقيد النظام e_hنتيجة للتفريغ عند محطة التخزين العلوية ومحطة التوليد السفلية
كفاءة النظام e_{_s} وتُقدر ب 85 % ، وذلك بالنظر إلى أن المصاعد القياسية المستخدمة لديها كفاءة تتراوح بين 80% إلى 60%.

**المعاملات المؤثرة في كمية الطاقة المخزنة في نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية**

نظام أكثر مرونة

يعتبر هذا النظام المقترح النظام مرنًا للغاية، لأنه من السهولة تغيير سرعة الكوابل أو زيادة الحمل أو حتى تغيير عدد الأوعية حتى تلبّي متطلبات الطاقة المختلفة. كما أنّ نظام «MGES» أفضل من طرق التخزين طويلة الأمد التقليدية مثل الطاقة الكهرومائية التي يتم تخزينها بالضَّخ أو كالسدود؛ لأن تأثيرها على البيئة منخفض. إضافةً إلى أنًّ أكوام الرمل رخيصة وهي أرخص من الماء. والرمال لا تتبخر لذلك يمكننا استخدامها إلى أجلٍ غيرِ مسمىً.”

تُقدر التكلفة السنوية لتخزين الطاقة عبر هذا النظام بين 50 إلى 100 دولار لكل ميغا واط.ساعة «MWh». بالمقارنة، تكلِّف بطاريات أيون الليثيوم عشر مرات أكثر على الأقل. يُضيف “هانت” : ” سوف يتم تعويض الطاقة المستهلكة في نقل المواد إلى المواقع التي بالأعلى عن طريق طاقة الجاذبية التي سوف ينتجها النظام”.

أين يمكن أن يُستخدم هذا النظام الجديد؟

حسب ما ذكره المهندس ” هانت ” فإن نظام «MGES» سيكون مفيدًا للغاية للشبكات التي تحتاج متطلبات تخزين طاقة قليلة.ومثالًا على ذلك الشبكات الميكروية «microgrids» التي تستخدم أقل من 20 ميغا واط، أو كمية الطاقة التي تستهلكها لإضاءة 7000 منزل مكون من أربع غرف نوم. هذه التقنية يمكن تطبيقها على جزر صغيرة أو منعزلة كجزيرة «Molokai» في هاواي أو جزيرة «The Galapagos» أو «Cape Verde»، حيث تكون هناك تكلفة توفير الطاقة مرتفعة والطلب عليها يكون موسمياً بسبب السياحة.

المصادر:

IEEE Spectrum

Sciencedirect

ما سبب ميلان برج بيزا ؟

هو برج جرس في بيزا، إيطاليا. يشتهر برج بيزا عالميا بميله البارز من جانب واحد. بنيت أسس البرج على باطن ناعم واجه صعوبة في دعم وزن البرج (14500 طن). عندما بدأ الطابق الثاني، أصبح الميلان ملحوظا وتفاقم سوءا مع استمرار البناء. في الأصل انحنى البرج بزاوية 5.5 درجة، بعد أعمال الترميم بين عامي 1990 و2001، تم تخفيض هذه الزاوية إلى 3.97 درجة. يبلغ ارتفاع البرج المكون من 8 طوابق من الجانب المنخفض 55.86 م، ومن الجانب العلوي 56.67 م. بدأ إنشاء برج بيزا في عام 1173 وانتهى في عام 1372. توقف البناء وأعيد تشغيله مرتين على مدى 199 عاما بسبب الحروب. توقفت الحرب عن البناء لأول مرة منذ ما يقرب من قرن من الزمان مما أعطى الوقت الكامن للتربة للاستقرار والضغط. 1

بسبب هذا الميلان الذي لم يكن مخطط له أصبح برج بيزا من اشهر معالم العالم. لفهم السبب في أن البرج بدأ يميل، يجب أن نلقي نظرة على الموقع الجغرافي لمدينة بيزا الصغيرة. تقع بلدة بيزا الصغيرة بين نهري أرنو وسيرشيو، وتقع بالكامل على التربة الغرينية المكونة أساسا من الرمال والطين والقذائف. التركيبة الخاصة لهذه التربة تجعلها ناعمة جدا وغير مناسبة لتحمل الأحمال الثقيلة. لذا، فإن السبب الذي يجعلنا نعجب اليوم بهذا البناء المتميز هو التربة غير المستقرة التي بني عليها. بدأ البرج يميل حوالي خمس سنوات في بنائه عندما أنهى البنائين المستوى الثالث (ارتفاع حوالي 23 متر). بما أن التصميم الأصلي خطط لما مجموعه ثماني طوابق، فقد أصبح من الواضح على الفور أنه يجب إيقاف البناء حتى يتم العثور على حل لمشكلة غرق الأساس. في غضون ذلك، تم بناء برجين آخرين على الأقل في بيزا يتبعان نفس الإيمان: برج الجرس سان ميشيل ديغلي وبرج الجرس سان نقولا. بدأ كلا البرجين يميلان بعد البناء. ومع ذلك، بخلاف برج بيزا، استمرت الأعمال في هذين البرجين الآخرين دون انقطاع مما أدى إلى أبراج مستقيمة، تم بناؤها وفقا لتصميمها الأصلي تماما. من غير المعروف ما إذا كان هذا يرجع إلى حقيقة أن تلك الأبراج أقصر وبالتالي فهي أقل عرضة لخطر الانهيار أو أنها فقط بسبب أن الأبراج بدأت تغرق بعد الانتهاء منها. ما يجعل برج بيزا فريدا، هو الجهد الهندسي المبذول لمواصلة البناء على الرغم من الظروف غير المواتية للتأسيس. للتغلب على الميل الثقيل، كان على المهندسين مراجعة التصميم وتغيير هندسة البرج لتعويض الميل غير المخطط له. والنتيجة هي شكل الموز الفريد للبرج الذي يظهر بوضوح عند الدخول من الباب الغربي للساحة. كل يوم تشرق الشمس على البرج على جانبها الجنوبي، من الشرق في الصباح إلى الغرب في المساء. في إيطاليا، يكون الإشعاع الناتج عن الشمس قويا جدا ويتسبب في زيادة درجة حرارة الأسطح المعرضة لأشعة الشمس المباشرة. بشكل خاص في فصل الصيف حيث درجة حرارة الهواء يمكن أن تتجاوز 40 درجة مئوية. في هذه الحالة، يؤدي التمدد الحراري للجانب الجنوبي للبرج إلى زيادة طوله (ارتفاعه). لا يخضع الجانب الشمالي (الذي لم يتم تعريضه للإشعاع مباشرة) لنفس التغير في الحجم. إذا كان البرج يميل في اتجاه الشمال، لكانت هذه الظاهرة قد زادت من ميلها، وربما تنتهي في انهيار كارثي. كانت حقيقة أن البرج يميل في اتجاه الجنوب أمرا أساسيا حتى يقف حتى اليوم. عندما استؤنفت أعمال البناء، نجح كبير المهندسين جيوفاني دي سيموني في جعل البرج يقف. كانت زاوية الميل للبرج المكتمل حديثا حوالي 1.4 درجة. تشير التقديرات إلى أن البرج استمر في التراجع بمعدل 0.05 بوصة سنويا، حتى عام 1993 عندما وصل إلى درجة الميل 5.5. في تلك المرحلة، تم اعتبار البرج في خطر الانهيار وكان مغلقا أمام الجمهور. عندما أعاد البرج فتح أبوابه أمام الجمهور في عام 2001، تم تخفيض زاوية الإمالة بنجاح إلى أقل من 4.0 درجة. وفقا للخبراء، فإن الظروف الحالية للتربة جيدة بما يكفي لضمان بقاء البرج لمدة 200 عام على الأقل. ما لم يضرب زلزال توسكانا، مثل تلك التي تسببت في تدمير أبروتسو وأجزاء أخرى من إيطاليا. 2

يعزى تصميم البرج على نطاق واسع إلى Guglielmo و Bonanno Pisano، لكن الدراسات الحديثة تشير إلى أن المهندس المعماري Diotisalvi ربما شارك في التصميم. في حين أن المهندس المعماري الأصلي للبرج لم يتم التحقق منه على الإطلاق، فمن المعروف أن الكثير منهم قد عملوا على ذلك، بما في ذلك: Bonanno Pisano و Gerardo di Gerardo في المرحلة الأولى، و Giovanni Pisano، و Giovanni di Simone خلال المرحلة الثانية قبل أن يشرف Tommaso di Andrea Pisano على استكماله.

بسبب المستنقعات الكامنة في باطن الأرض هناك العديد من الأبراج الأخرى في بيزا مع قضايا إمالة أقل وضوحا. 1

المصادر:

1_ http://sciencekids.co.nz/sciencefacts/engineering/leaningtowerofpisa.html

2_https://leaningtowerpisa.com/facts/why-is-pisa-tower-leaning

هل لفراغنا المعماري تأثير على مشاعرنا؟

هناك مجال جديد نسبيا للبحث، وهو “علم النفس المعماري”.
الهدف من هذا المجال الأكاديمي هو استكشاف تأثير الفراغ المعماري على البشر، ومشاعرهم وسلوكهم، وصياغة توصيات لتخطيط وتصميم المباني. يطرح هذا المجال البحثي أسئلة حول تأثير الفراغ المعماري و المساحات الداخلية و الخارجية على الأشخاص من الناحية المعرفية والعاطفية والاجتماعية، كيف يمكن تصميم المنازل والمكاتب والمباني بشكل عام وهيكليتها، بحيث تقلل من الإجهاد أو تعزز الرفاه؟
حيث يعيد المهندسيين المعماريين التفكير في تأثير المباني على مشاعرنا في عصر “الهندسة العصبية”.
“بنينا مبانينا ومن ثم هي من بنتنا”، صرح بهذه المقولة ونستون تشرشل عام 1943.
بعد أكثر من 70 عاما، سيكون من دواعي سروره بلا شك معرفة أن علماء الأعصاب وعلماء النفس قد وجدوا الكثير من الأدلة لدعمه
بأن الفراغ المعماري يمكن أن يؤثر على مزاجنا ورفاهيتنا، وأن الخلايا المتخصصة في منطقة الحصين من أدمغتنا تتوافق مع هندسة وترتيب المساحات التي نعيش فيها.
لكن المهندسين المعماريين في المناطق الحضرية غالبا ما يولون اهتماما ضئيلا للآثار المعرفية المحتملة لإبداعاتهم على سكان المدينة. تميل ضرورة تصميم شيء فريد من نوعه إلى تجاوز الاعتبارات المتعلقة بكيفية تشكيل سلوكيات أولئك الذين سيعيشون معها.
اليوم، بفضل الدراسات النفسية، لدينا فكرة أفضل بكثير عن نوع البيئات الحضرية التي يحبها الناس و يجدونها محفزة.
ففي الشهر الماضي، نظر مؤتمر المدن الواعية في لندن في كيفية جعل اكتشافات العلماء مفهومة لدى المهندسين المعمارين.
وقال أحد المتحدثين في المؤتمر، أليسون بروكس، وهي مهندسة معمارية متخصصة في الإسكان والتصميم الاجتماعي، إن الأفكار المستندة إلى علم النفس يمكن أن تغير كيفية بناء المدن.
وتقول: “إذا كان العلم يمكن أن يساعد مهنة التصميم في تبرير قيمة التصميم الجيد والحرفية، فستكون أداة قوية للغاية وربما تغير نوعية البيئة المبنية”.
من شأن التفاعل الأكبر بين التخصصات، على سبيل المثال، أن يقلل من فرص تكرار قصص الرعب المعمارية مثل مجمع برويت إيجو السكني في الخمسينيات في سانت لويس بولاية ميسوري، والذي يضم 33 مبنى سكني متميزا، صممه مينورو ياماساكي، المسؤول أيضا عن التجارة العالمية.
سرعان ما أصبح سيئ السمعة بسبب جريمتهم، وضعفهم الاجتماعي. جادل النقاد بأن المساحات المفتوحة الواسعة بين الكتل الشاهقة في الحداثة عطلت الإحساس بالانتماء إلى المجتمع، خاصة مع ارتفاع معدلات الجريمة.
تم هدمهم في نهاية المطاف في عام 1972.
إن الافتقار إلى البصيرة السلوكية وراء مشاريع الإسكان الحديثة في تلك الحقبة، وشعورهم بالعزلة عن المجتمع الأوسع والأماكن العامة الخاطئة، جعل الكثير منهم يشعرون، على حد تعبير الفنانة البريطانية تيني تمبا، التي نشأت في واحد، كما لو أنهم “صمموا لكي لا تنجحوا”.
كما جرت دراسات تدعم هذه الفكرة تعتمد على قياس الاستجابات الفسيولوجية للأفراد في الموقع، وذلك باستخدام أجهزة يمكن ارتداؤها مثل الأساور التي تراقب سلوك الجلد (علامة على الإثارة الفسيولوجية)، وتطبيقات الهواتف الذكية التي تسأل موضوعات عن حالتهم العاطفية، وسماعات رأس الدماغ الكهربائي (EEG) قياس نشاط الدماغ المتعلقة بالحالات العقلية والمزاج.
وقال كولن إيلارد، الذي يبحث في التأثير النفسي للتصميم في جامعة واترلو في كندا: “هذا يضيف طبقة من المعلومات التي يصعب الحصول عليها، عندما نسأل الناس عن إجهادهم يقولون إن هذا ليس بالأمر الكبير، ولكن عندما نقيس فسيولوجياتهم نكتشف أن ردودهم تكون خارج المخططات. الصعوبة تكمن في أن حالتك الفسيولوجية هي الحالة التي تؤثر على صحتك، إن إلقاء نظرة فاحصة على هذه الحالات الفسيولوجية يمكن أن يلقي الضوء على كيفية تأثير تصميم المدينة على أجسامنا”.
كما أن الهندسة المعمارية الخاطئة والأقل شأنا، إلى جانب عوامل أخرى، يمكن أن تعزز التوتر وتشجع الإرهاق وتحث على الأعراض النفسية الجسدية وحتى تعزز الانزعاج البدني. وكقاعدة عامة، لا تظهر هذه الآثار على الفور، ولكنها تظهر غالبا بعد فترة أشهر أو سنوات. وهذا يتيح الاستنتاج العكسي بأن المساحات يمكن أن تدعم أيضا عمليات الشفاء وتعزز الرفاه.
من أجل الشعور بالراحة في بيئة، لا يتطلب فقط مناخ داخلي لطيف. يلعب الضوء والمصانع والمواد وأساليب البناء ودرجة الحرارة وظروف الجو أيضا دورا في الرفاه والصحة.
علينا أن نضع في اعتبارنا أن البشر لديهم تصور كلي: حواسنا تؤثر على تفكيرنا ومشاعرنا وأفعالنا وبالتالي على الجسم كله إذا تم تحفيز حواسنا بشكل إيجابي، يمكن أن يكون لهذا تأثير منشط أو مهدئ. ونتيجة لذلك، يمكن للمساحات المحيطة أن تؤثر على تفكيرنا، وأنماط العمل، وتعزيز الدافعية واستعدادنا للعمل، وتعزيز أدائنا أو التركيز. إذا شعرنا بعدم الارتياح في الأماكن، فقد يؤدي ذلك إلى الشعور بعدم الراحة أو فرط الحساسية أو الخمول أو حتى القلق.
البيئة المعيشية التي نتحرك فيها ونحيط بها هي أرض خصبة لتطورنا. بالمعنى الإيجابي، يمكن أن تساهم المساحات في تعزيز شعورنا باحترام الذات والرضا. قد يتسبب العجز في هذا المجال في عدم الرضا والأرق والغربة والإهمال.
أن المرضى وكبار السن والأطفال مرتبطون ببيئتهم المعيشية أكثر من غيرهم، وبالتالي سيتأثرون بشدة بالأوضاع المكانية.
كلما كنا غير آمنين، كان تأثير البيئة أقوى علينا.
ومع ذلك، في الحالة الإيجابية، يمكن للهندسة المعمارية المصممة جيدا تسريع عمليات الشفاء (على سبيل المثال في المستشفيات)، وتقوية التمارين والحيوية، والمهارات العاطفية والمعرفية، والمهارات الاجتماعية التفاعلية والتواصلية.
لذلك من الضروري أن يراقب المهندسون المعماريون الوظائف المعمارية وتأثيرها على البشر. اعتمادا على المبنى، على سبيل المثال يجب أن تشع المستشفى بالسلام والثقة والأمل وفقاةلذلك، كما يجب أن تثير المدرسة الفضول والفرح والإثارة ويجب أن يدعم المكتب بالإبداع والإنتاجية والتركيز.

المصادر:

https://www.bbc.com/future/article/20170605-the-psychology-behind-your-citys-design

هل حانت نهاية قانون مور؟ معالج باكسل الياباني يجيب

طور مجموعة من الباحثين في اليابان نوعًا جديدًا من المعالجات يُعرف باسم «باكسل-PAXEL» ، وهو جهاز يمكنه أن يتجاوز قانون مور «Moore’s Law» ويزيد من سرعة وكفاءة الحوسبة.

يتم وضع معالج باكسل «PAXEL» ، والذي يمثل مسرع الفوتونات ، في الواجهة الأمامية لجهاز كمبيوتر رقمي ويتم تحسينه لأداء وظائف محددة ولكن مع استهلاك أقل للطاقة مما هو مطلوب للأجهزة الإلكترونية بالكامل.
ترانزستورات تأثير المجال لأكسيد المعدن شبه الموصل أو ما تعرف اختصارًا ب «MOSFET» تمثل الأساس لمعظم الدوائر الإلكترونية المتكاملة، لكنها محدودة بموجب قانون مور، والذي ينص على أن “عدد الترانزستورات في كل إنش مربع من شريحة المعالج سيتضاعف مرتين سنويًا”. ولكن هناك حدًا كامنًا لهذا، وذلك بناءً على الطريقة التي يرتبط بها حجم رقائق المعالجات الدقيقة بالطبيعة الميكانيكية الكمومية للإلكترونات. بالإمكان التغلب جزئيًا على مشكلة قانون مور من خلال استخدام المعالجة المتوازية «Parallel Processing»، حيث تقوم العديد من المعالجات بإجراء حسابات بطريقة متزامنة. ولكن هذه الطريقة لا تعمل مع كل تطبيق.

نظرية عمل تقنيات النانو الضوئية

في ورقة بحثية تم نشرها في «APL Photonics-AIP Publishing»، درس الباحثون طريقة أخرى لاستخدام الضوء في نقل البيانات في الدوائر المتكاملة، حيث أن الفوتونات لا تخضع لقانون مور. وبدلًا من استخدام الدوائر الإلكترونية المتكاملة، ينطوي التطوير الجديد الآن على الدوائر المتكاملة الضوئية (PICs). يعمل مسرع «PAXEL» على هذا النهج ويستخدم تقنيات النانو الضوئية الموفرة للطاقة، والتي هي عبارة عن دوائر ضوئية متكاملة متناهية في الصغر.

تعمل تقنيات النانو الضوئية -مثل تلك المستخدمة في «PAXEL» -، بسرعة الضوء ويمكنها إجراء عمليات حسابية بطريقة تماثلية، بحيث يتم تمثيل البيانات حسب مستويات شدة الضوء. ثم يتم إجراء عمليات الضرب أو الجمع للبيانات الرقمية عن طريق تغيير شدة الضوء. قام الباحثون بتطوير معماريات مختلفة ل “باكسل ” لمجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك الشبكات العصبية الاصطناعية، والحوسبة التخزينية ومنطق بوابة المرور، وتقنيات اتخاذ القرار، والاستشعار المضغوط.

تطبيقات معالج باكسل الياباني

أحد تطبيقات معالج باكسل الياباني المثيرة للاهتمام بشكل خاص هو ما يسمى «بالحوسبة الضبابية-fog computing». وهذه تشبه «الحوسبة السحابية -cloud computing» ولكنها تستخدم واحد أو أكثر من الأجهزة القريبة من المستخدم «خوادم-Servers» لإتمام كمية كبيرة من التخزين -عوضًا عن تخزينها تخزينًا أساسيًا في مراكز البيانات السحابية -. ويمكن لمعالج «PAXEL» المدمج ضمن جهاز لوحي أو أي جهاز محمول باليد اكتشاف الإشارات ونقل المعلومات من خلال خوادم لاسلكية 5G إلى خوادم حوسبة الضباب لتحليل البيانات.

**تقنيات النانو الضوئية ستتجاوز قانون ومور وستزيد من سرعة وكفاءة الحوسبة**

المتوقع أن يتم تطبيق هذه التكنولوجيا الجديدة في مجموعة واسعة من المجالات بما في ذلك اختبار الرعاية الطبية والطب البيطري، والتشخيص، واختبار الأدوية والمواد الغذائية، والدفاع البيولوجي. وبما أن الكثير من أجهزتنا المنزلية والتجارية متصلة عبر شبكة الإنترنت، فستكون هنالك حوجة لقدرة حوسبة أفضل، بما في ذلك نقل البيانات بكفاءة عالية. ومن المتوقع أن تساعد التقنيات المشابهة ل «PAXEL» في تلبية هذه الاحتياجات.

المصادر:

Science Daily

PhysOrg

ما هو تأثير مارانجوني ؟ وما هي تطبيقات تأثير مارانجوني؟

اكتشاف نموذج رياضي جديد يُفسِّر تأثير مارانجوني « Marangoni Effect»

هل سبق لك أن شاهدت تلك الدوامات المتلونة كقوس قزح على فقاعات الصابون؟ ما التفسير الفيزيائي لهذه الظاهرة الغريبة؟ تلك الدوامات هي ظاهرة بصرية ناتجة عن تأثير مارانجوني « Marangoni Effect» .

تأثير مارانجوني هو ظاهرة انتقال الحرارة والكتلة إلى المناطق ذات التوتر السطحي العالي داخل السائل. التوتر السطحي هو خاصية للسائل يتسبب في جذب الجزء السطحي من السائل إلى سطح آخر، مثل قطرة الزئبق الموجودة على شكل كرة متماسكة في مقياس درجة الحرارة.يُعد تأثير مارانجوني مسؤولًا عن العديد من الظواهر التي ترتبط بالتوتر السطحي، لعل أبرزها ظاهرة تشكًُل دموع النبيذ وهي عبارة عن حلقة مكونة من سائل شفاف بالقرب من الحافة العلوية الداخلية لكأس النبيذ تتكون فيها باستمرار قطراتٌ -كالدموع-، تسقط مرة أخرى إلى إلى أسفل كأس النبيذ ويرجع هذا التأثير إلى حقيقة أن الكحول يحتوي على توتر سطحي أقل من الماء وقابلية تبخر أعلى من الماء.سُميت هذه الظاهرة باسم الفيزيائي الإيطالي «كارلو مارانجوني -Carlo Marangoni» الذي درس هذه الظاهرة لأول مرة في القرن التاسع عشر.

ومن التجارب ذات السلوك الغريب أيضًا، عند إدخال شوائب غير قابلة للذوبان على سطح حاوية مَمْلُوءَة بالماء ومعرَّضة لتأثير مارانجوني، فإن تلك الشوائب يتم سحبها على الفور إلى جانب حاوية الماء على شكل تدفقات. وهذا بدوره يخلق تدرج في التوتر السطحي مما يجعل السطح مرنًا. هذه التدفقات من الناحية النظرية مفهومة لكنها لا تزال غير متوافقة تمامًا مع الملاحظات التجريبية لتأثير مارانجوني. في دراسة جديدة نشرت في مجلة «EPJE»، اكتشف الباحث «توماس بيكل -Thomas Bickel» من جامعة “بوردو” في فرنسا قوانين رياضية جديدة تحكم خصائص تدفقات مارانجوني.

تطبيقات تأثير مارانجوني

يُستَفادُ من تأثير مارانجوني في العديد من التطبيقات، على سبيل المثال في اللحام وصناعة الكمبيوتر حيث يستخدم في في سياق تجفيف رقائق السيليكون أثناء تصنيع الدوائر المتكاملة. وجد “بيكل” أنه في حالة استخدام مياه أكثر عمقًا، فإن المنطقة التي يتم فيها إزالة الشوائب تتناقص في الحجم مع زيادة مرونة السطح. خارج هذه المنطقة، يتم إلغاء تدفقات مارانجوني بواسطة التدفقات المضادة الناتجة عن الشوائب، مما يعني أن المائع يصبح ثابتًا. ويمكن أن تختفي المنطقة إذا كانت مرونة السطح كبيرة للغاية، وفي هذه الحالة يصبح تركيز الشوائب على الواجهة ثابتًا. علاوةً على ذلك، تصبح حدود المنطقة غير واضحة في المياه الضحلة. اكتشف “بيكل” هذه الآليات من خلال الاشتقاقات الرياضية، بدءًا من الخصائص المعروفة لتدفقات مارانجوني. ثم قام بدمج متغيرات إضافية مثل عمق الماء وتركيز الشوائب، وحسب تأثيرها على النظام العام. أظهرت أبحاث بيكل أنه حتى في تجارب الفيزياء القديمة والمدروسة جيدًا، لا يزال التحليل الرياضي يكشف عن عمليات جديدة.

المصادر:

Science Daily

NASA

يمكنك مشاهدة هذه الظاهرة من خلال هذا الفيديو:

كيف بدأت قصة برج إيفل ( السيدة الحديدية ) ؟

برج إيفل، رمز مدينة باريس ومعلم الحب الشهير أو كما يلقبونه الفرنسيون السيدة الحديدية.
بدأ تصميمه عام 1889 استعدادا للمعرض العالمي في باريس تم بناؤه لإحياء ذكرى مرور مائة عام على الثورة الفرنسية ولإظهار براعة فرنسا الصناعية للعالم.
عندما بدأ بناء برج الحديد المطاوع لم يكن الجميع في باريس مسرورًا بفكرة نصب تذكاري معدني ضخم يلوح في المدينة.
على الرغم من أنه أصبح الآن رمزا عالميا للرومانسية، إلا أن التصميم الجذري لبرج إيفل ألهم أي شيء سوى الحب، حيث وقع 300 من الفنانين والمفكرين الباريسيين على البيان التالي الذي نشر في جريدة Le Temps يوم عيد الحب في عام 1887: “نحن، الكتاب والرسامين والنحاتين والمهندسين المعماريين وعشاق الجمال، نحتج بكل قوتنا، بكل سخطنا، باسم الذوق الفرنسي الذي لم يتم التعرف عليه، باسم الفن والتاريخ الفرنسي تحت التهديد، ضد البناء في قلب عاصمتنا برج ايفل عديم الفائدة والوحشية.” 1
وقال جودك سناجدار، مؤرخ فني في أمستردام ومدون في كالتشر توريست: على الرغم من أنه في البداية كان ينظر إليه على أنه أبشع مبنى في باريس، إلا أنه سرعان ما أصبح رمزا للمدينة.
ينسب التصميم إلى غوستاف إيفل، مهندس مدني فرنسي، ومع ذلك، كان في الواقع رجلان أقل شهرة هما موريس كوشلين وإميل نوجير، اللذان وضعا الرسومات الأصلية للنصب التذكاري.
يتكون هيكل الحديد المطاوع من أربعة أرجل ضخمة مقوسة ومثبتة على أرصفة البناء التي تنحني إلى الداخل حتى تنضم إلى برج واحد مدبب.
يتطلب بناء البرج 2.5 مليون من المسامير المجمعة حراريا و7300 طن من الحديد لحماية البرج، قام العمال بطلاء كل شبر من الهيكل، وهو الأمر الذي تطلب 60 طنا من الطلاء. تم إعادة طلاء البرج 18 مرة.
استخدم غوستاف إيفل الحديد المطاوع المصنوع من الصلب لبناء البرج لإظهار أن المعدن يمكن أن يكون قويا مثل الحجر بينما يكون أخف وزنا.
كلف بناء برج إيفل 7،799،401.31 فرنك ذهب فرنسي في عام 1889، أو حوالي 1.5 مليون دولار.
يبلغ ارتفاع برج إيفل 1063 قدما (324 مترا).
كان أطول مبنى في العالم حتى تم بناء مبنى كرايسلر في نيويورك في عام 1930.
برج ايفل يزن 10،000 طن.
هناك 5 مليارات مصباح على برج إيفل و يتكون من 108 طابقا مع 1710 درجة و مصعدين.
تصل المنصة الاولى له إلى ارتفاع 190 قدم فوق سطح الأرض، و يبلغ طول المنصة الثانية 376 قدما، بينما يصل ارتفاع المنصة الثالثة إلى 900 قدم تقريبا، يمكن للزوار تسلق للسلالم إلى المنصة الأولى فقط. 2

المصادر:

1_ https://www.history.com/topics/landmarks/eiffel-tower

2_ https://www.livescience.com/29391-eiffel-tower.html

كيف يمكن للصين بناء مستشفى في عشرة أيام فقط؟

تسارع السلطات الصينية لبناء مستشفى في عشرة أيام في (ووهان- Wuhan)، المدينة تعتبر قلب تفشي (فيروس كورونا)، للمساعدة في مكافحة الفيروس سريع الانتشار. حيث أن تفشي المرض أجهد موارد مستشفيات (ووهان)، الذين أُجبروا على رفض المرضى بسبب نقص الأسرة والإمدادات الطبية الأساسية. من المتوقع أن يتم تشغيل مستشفى (هووشينشان – Huoshenshan) الذي يتسع لـ 1000 سرير في الثالث من فبراير، بينما من المفترض أن يكون الثاني، وهو مستشفى يتسع لـ 1600 سرير يدعى (ليشنشان – Leishenshan)، جاهزًا بحلول الخامس من فبراير، بعد 10 إلى 12 يومًا فقط من الإعلان عن إنشائهما. وبعيدًا عن مأساة تفشي الفيروس، فنستعرض في المقالة كيفية بناء ذلك في عشرة أيام فقط.

تصميم المستشفى

يقدم منظور تم نشره على موقع شركة الإنشاءات لمحة عن الشكل الذي قد يبدو عليه موقع (هووشينشان) بمجرد الانتهاء منه. كما تقدم الصور ومقاطع الفيديو وغيرها من المعلومات التي تقدمها شركة البناء والمسؤولون الصينيون صورة أكثر اكتمالًا عن كيفية بناء مثل هذه المنشأة بهذه السرعة. يمتد مستشفى (هووشينشان) على مساحة ثمانية أفدنة ويشمل وحدة العناية المركزة وأجنحة المرضى وغرف الاستشارات وغرف المعدات الطبية وغيرهم. سيتم بناء أجنحة منفصلة للحجر الصحي لتقليل مخاطر الإصابة بالعدوى، وفقاً لتلفزيون الصين المركزي.

سيكون المستشفى عبارة عن مبنى من طابقين يتكون من وحدات مديولية مسبقة الصنع، وفقًا لموقع (China State) للانشاءات الهندسية. بدأت مقاطع الفيديو والصور الخاصة بالبناء في موقع (هووشينشان) في الظهور على الإنترنت في 24 يناير، تحتوي على عشرات الحفارات والجرافات وغيرها من معدات الحفر التي تهرع لتسوية الأرض.

تصميم الوحدة المديولية

تبلغ مساحة كل وحدة حوالي 100 قدم مربع أي حوالي 9.2 متر مربع، ويمكنها استيعاب سريرين، وفقًا لصحيفة (People’s Daily)، الصحيفة الرئيسية للحزب الشيوعي الصيني. يتم تقليل الضغط في الغرف بحيث يتم سحب الهواء إليها، حيث ان الهواء يتحرك من الضغط المرتفع الى الضغط المنخفض، وهي ممارسة شائعة في المستشفيات لمنع الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في الهواء من الانتشار خارج الغرفة وإلى الممرات. (وفقًا لمراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها.)

لكن كيف يمكن للصين ضغط جدول المشروع الى عشرة أيام؟

تثير وتيرة البناء المتسارعة في ووهان العديد من الأسئلة: كيف يمكن للصينيين ضغط مواعيد الإنشاء جذريًا؟ عادة ما يستغرق إنشاء مبنى – وهو مستشفى متكامل الخدمات به معدات طبية – عدة سنوات فكيف للصين بناء مستشفى في عشرة أيام فقط. وهل يمكن أن يكون البناء السريع آمنًا حقًا؟

يوضح (Scott Rawlings)، المهندس المعماري المسئول عن شركة الهندسة العالمية (HOK) المتخصصة في المنشآت الصحية، أن ما يبنيه الصينيون ليس منشأً طبيًا نموذجيًا، بل هو “مركز فرز لإدارة العدوى الجماعية”.

أتردد في الإشارة إلى المستشفى الذي أقيم اليوم في ووهان كمستشفى دائم، وهو بالتأكيد ليس مرفقًا متكامل الخدمات، عندما نقوم بتصميم ذلك، فإننا نأخذ في الإعتبار استخدام المبنى وقدرته على التكيف لمدة 75 عامًا في المستقبل… الصين ليس لديها هذا الترف في تصميم المستشفى الجديد في (ووهان).

يوضح رولينجز، الذي يعمل حاليًا في مستشفى جديد بسعة 500 سرير في مدينة (تشنغدو) ومستشفيين في (هونغ كونغ)، أنه بالنسبة لمشروع مستشفى نموذجي، يتم قضاء وقت كبير في التشاور مع المرضى والموظفين الطبيين ومسؤولي الرعاية الصحية والمجتمع المحيط. للتأكد من أن التصميم فعال لجميع المستخدمين.

مع عدم وجود وقت لإجراء الاستشارات لتصميم مخصص جديد، يستخدم مسؤولو (ووهان) مخططات من مستشفى (شياوتانغشان – Xiaotangshan)، وهو منشأة طبية تتسع لـ 1000 سرير في ضواحي (بكين) تم تجميعه خلال أسبوع خلال (وباء السارس) في عام 2003.

صورة: كهربائيون يتسابقون لبناء مستشفى (شياوتانغشان) في بكين خلال وباء السارس عام 2003.

استخدام الوحدات الجاهزة هو مفتاح الإسراع في مستشفيات ووهان. يتم تجميع الغرف المُصنَّعة بالكامل في المصنع وتنقل بالشاحنات وتوضع في مكانها. ليتم بناء مستشفى في عشرة أيام فقط.

يؤكد المهندس Thorsten Helbig، وهو مهندس إنشائي ومؤسس مشارك لشركة الهندسة الألمانية (Knippers Helbig)، والذي يُدَّرِس حاليًا في (Cooper Union) في مدينة نيويورك، أن تقنية البناء سابقة التجهيز هذه آمنة تمامًا من الناحية الإنشائية.

يوضح أنه نظرًا لأن الوحدات يتم تجميعها في ظل بيئة خاضعة لمراقبة الجودة بالمصنع، فإنه يمكن للمصممين والإنشائيين استكشاف أي مشاكل والتأكد من أن جميع الوحدات المديولية تعمل معًا قبل أن يتم تجميعها. يعتمد البناء التقليدي، من ناحية أخرى، على الظروف الجوية والجدول الزمني من مختلف المقاولين الذين يعملون على جوانب مختلفة من المشروع. اليوم، تضم سلاسل الفنادق من (Citizen M) و (Marriott) إلى شركة (KPMG) التي افتتحت حديثًا في فلوريدا ، الأجزاء مسبقة الصنع في خطة البناء الخاصة بها.

يقول رولينغز إن تاريخ الصين مع الأوبئة الجماعية قد أعدهم للأزمة المستمرة في ووهان.

“من نواحٍ كثيرة، تتفوق الصين على الولايات المتحدة والدول الأخرى عندما يتعلق الأمر بالرد على الإصابات الجماعية، كما حدث من قبل مع السارس في أوائل العقد الأول من القرن العشرين… يمكن أن يكون لدى الصين أيضًا قيود بيروقراطية أقل عندما يتعلق الأمر بتصميم وبناء مشاريع ضخمة مثل هذا المشروع، لا سيما عندما يكون الكثير على المحك”.

هناك عوامل جديرة بالملاحظة من شأنها تسريع مشاريع البناء في الصين: الافتقار إلى النقابات العمالية، والتدفق المستمر للعمالة الرخيصة من البلدات المحلية، وتوافر مواد البناء. ولكن هذا لا يعني بالضرورة أن معايير البناء في الصين أكثر تساهلاً مقارنة بالنظيرات الغربية.

المستشفيات المسبقة الصنع: آمنة ولكن ليست مستدامة دائما

يقول (Helbig)، الذي عمل في العديد من مشاريع البنية التحتية الرئيسية في الصين بما في ذلك مطار (Shenzhen Bao’an) ومنتجع ديزني في شنغهاي، إن هوس الصينيين الكبير بالهندسة والعمارة جعل البنائين الصينيين متفوقين وبارعين للغاية. ففي عام 2016، أكملوا 84 ناطحة سحاب (أبراج بارتفاع 650 قدمًا وأعلى) مقارنة بسبعة فقط في الولايات المتحدة، على سبيل المثال. كما تم بناء ناطحة السحاب الصغيرة المكونة من 57 طابقًا في (هونان) في 19 يومًا فقط.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=_JUi6i_p7TI[/embedyt]

فيديو: موقع بناء مستشفى (هووشينشان).

يضيف (Helbig) أن الرغبة في الابتكار تساعد أيضًا. حيث يلاحظ أنه مقارنة بالدول الأمريكية والأوروبية، فإن الصينيين أكثر راحة في تبني طرق بناء جديدة.

“إنهم منفتحون جدًا على التقنيات الجديدة والتغيرات التكنولوجية، وهذا يختلف حقًا عن العالم الغربي في بعض النواحي. كمهندس، أقدر هذا الموقف جدًا. فنادراً ما يتمسك الصينيون بكيفية قيامهم بالأشياء في الماضي”.

ولكن بالرغم من سرعة وآمان تلك المباني في الصين، فإنها ليست بالضرورة مستدامة دائمًا، يوضح هيلبيج. “لا أستطيع أن أتخيل أن هذه المباني هي أفضل الحلول”. لقد تم التخلي عن مستشفى (شياوتانغشان) في بكين بعد احتواء وباء السارس، حسبما ذكرت هيئة الإذاعة البريطانية. نظرًا لأنه من الصعب إعادة استخدام مثل هذا المرفق المتخصص لأي استخدام آخر، مما يجعلها عديمة الفائدة إلى حد كبير بعد الطوارئ.

يقول (Helbig)، وهو مؤيد للعمارة المستدامة الخشبية، إنه لا يزال هناك عمل يجب القيام به في تصميم الوحدات مسبقة الصنع صديقة للبيئة، يمكن تفكيكها وإعادة استخدامها في حالات الطوارئ الأخرى أو غيرها من الهياكل المفيدة.

المصادر:

How China Can Build a Coronavirus Hospital in 10 Days

How China can build a hospital for Coronavirus patients in a week

أقرأ أيضًا: لماذا تعد صيانة المباني مهمة للغاية؟