هندسة الأرشيف

خوارزميات النحل، الخوارزميات الثورية في مجال الحوسبة التحسينية

هذه المقالة هي الجزء 11 من 12 في سلسلة أشهر الخوارزميات التحسينية المستوحاة من الطبيعية

في مجال الحوسبة و البحث العملياتي، أي علم اتخاد القرار، تعتبر خوارزميات النحل من الخوارزميات التحسينية الفريدة والفعالة. هذه الخوارزميات التحسينية المستوحاة من الطبيعة تنتمي إلي مجموعة الخوارزميات التحسينية التي تتبنى في مقاربتها الخوارزمية، لحل المشاكل، مفهوم الساكنة. أي أن جميع الحلول المحتملة التي تم معالجتها تنتمي لجيل واحد من الأجيال على الأقل، على مدار دورات التكرار.

صممت هذه الخوارزميات لمحاكاة أسلوب بحث نحل المستعمرات عن موارد الطعام. أي حقول الأزهار التي تحتوي على الرحيق الذي تتغدى عليه. وليس النحل البري الذي ينفرد بذاته ويعيش مستقلا عن أي تجمع، فلكل طريقته.

تستخدم هذه الخوارزمية في حل المشاكل المستمرة و المشاكل المتقطعة، مثل خوارزميات الساكنة الأخرى. ولتنفيد هذا تقوم ببحث محلي بجوار الحلول المحلية، المكتشفة بواسطة بحث شامل و غير مركز.

يشترط استخدام هذه الخوارزمية القدرة على حساب الفرق بين الحلول، أي المسافة بين نقاط فضاء الحلول المحتملة. وبالطبع بدون الحاجة لحساب أي اشتقاقات أو تدرجات. وفي هذا المقال سنركز على مراجعة ألية بحث نحل المستعمرات عن الرحيق، وكذلك ألية عمل بعض خوارزميات النحل ومتحوراتها.

سلوك نحل العسل

تعيش نحلات العسل في مستعمرات منظمة. تخزن العاملات منها العسل الذي تنتجه فيها وتتغذى عليه من أجل أن تحيا وتستمر. هذه الحياة التي تقضيها في العمل قائمة على عدد من المتطلبات والتي من أجل تحقيقها تحتاج النحلات للتواصل في ما بينها. فيتم التواصل، كما النمل وعدد من الحيوانات و الحشرات الأخرى، بواسطة الفيرومونات. لكن إضافة لهذه الطريقة التقليدية، تمتاز النحلات باستخدامها للرقص لتحقيق المزيد من التواصل. فباستخدام رقصات محددة تستطيع النحلات أن تمرر فيما بينها معلومات حساسة ومهمة عن اتجاه وقيمة مصدر الطعام. اتجاه الجسم يشير إلي مصدر الطعام، و الصوت الناتج خلال الرقصة يدل على مدى أهمية وقيمة هذا المصدر.

كفاءة البحث مفتاح البقاء

كما هو واضح، فآلية التواصل بالفيرومونات جد مهمة في حياة النحلة وحاسمة في استمرارية المستعمرة. فباستخدام مركب كميائي معين من الفيرومونات يمكن أن تحفز النحلة مجموعتها لرد فعل على هجوم ما. إضافةً، فعند إيجاد النحلة لمصدر رحيق معين، وتعود حاملة إياه، تصدر مجموعة من الفيرومونات كإشارة. ومن ثم تقوم النحلة برقصتها لتحديد المكان والجودة للنحلات المجاورة.

عند تعدد مصادر الرحيق، أثبتت الدراسات أن السلوك المنظم للمستعمرة قادر على توزيع النحلات الجامعة على هذه المصادر بطريقة فعالة. وذلك من أجل جمع أقصى قدر من الرحيق. فكي تستطيع المستعمرة النجاة خلال فصل الشتاء، يتوجب جمع ما لا يقل عن 15 كيلوغرام من العسل أو ما قد يصل إلي 50 كيلوغرام، حسب النوع والمنطقة.

كفاءة البحث كمصدر إلهام

هنا تبرز أهمية قدرة النحل على توزيع أفراده لجمع الرحيق من وجهة نظر تطورية. فإن لم تجمع ما يكفي وتنظم مجهوداتها بالطريقة المثلى، فلن تبقى إلي أن يحل فصل الربيع. وبالتالي، ما يجعل من موضوع أليات عمل مستعمرات النحل هذه بمختلف أنواعها مصدرًا هامًا نستطيع استحضاره ومحاكاته لإيجاد مختلف الطرق لحل ما يوجهنا من مشاكل هندسية وخصوصًا المشاكل التحسينية. وقد تم تصميم عدد كبير من الخوارزميات التحسينية انطلاقًا من مفهوم مستعمرة النحل، وفق هذه الميكانيزمات، وطرق العمل الفريدة والفعالة.

خوارزميات النحل

على مدار العقدين الماضيين، بدأت خوارزميات النحل تنبثق كخوارزميات تحسينية واعدة في مجال التحسين. لكن بعد البحث نجد أنه من الصعب تحديد التاريخ الدقيق لأول صياغة لهذه الخوارزميات. بحيث تم تطويرها من طرف عدد من الباحثين في أبحاث مستقلة، وفي مختلف أنحاء العالم، على مدار السنوات.

لكن انطلاقا من الأدبيات العلمية والأوراق البحثية نجد أن خوارزمية نحل العسل Honeybee Algorithm قد تم تطويرها سنة 2004 على يد كريغ توفي Craig A. Tovey من معهد جورجيا للتكنولوجيا، و سونيل نكراني Sunil Nkarani من جامعة أوكسفورد. وفي أواخر 2004 وبداية 2005 طور عالم الرياضيات والحاسوب شين شي يانغ Xin She Yang من جامعة كامبريدج خوارزمية النحلة الافتراضية Virtual Bee Algorithm، لحل مشاكل التحسين العددية. هذه الخوارزمية قادرة على مواجهة المشاكل المستمرة و المتقطعة.

وفي وقت لاحق من سنة 2005 طور حداد Haddad و أفشار Afshar وزملاءهما خوارزمية تحسين تزاوج نحل العسل Honeybee mating Optimization. والتي استخدمت في تصميم الخزانات والتعنقد clustering. وفي نفس الفترة الزمنية طور كارابوجا D. Karaboga خوارزمية النحل الاصطناعية Artificial Bee Algorithm للتحسين العددي.

خوارزمية نحل العسل

يتم توجيه النحل العامل في خوارزمية نحل العسل Honeybee Algorithm نحو عدد من مصادر الطعام. من أجل الحصول على أكبر كمية من الرحيق. عملية التوجيه هذه تقوم على عدد من العوامل، مثل تركيز الرحيق في المنطقة المعنية وكذلك قربها من المستعمرة. وسنجد أن عملية التوجيه هذه مشابهة لعملية توزيع خوادم استضافة الويب allocation of web-hosting servers على الإنترنت. وبالتالي، كان هذا المشكل من أوائل المسائل التي تم حلها بواسطة خوارزميات النحل، وبالضبط خوارزمية نحل العسل.

باعتبار Wi(j) قوة تذبذب رقصة النحلة i خلال خطوة التنفيد j، نجد أنه من الممكن تحديد احتمالية اتباع نحلة معينة للمصدر المشار إليه بعد مشاهدة الرقصة بواسطة عدد من الصيغ وذلك اعتمادًا على المتحور المستعمل، فنجد الصيغة المطبقة في خوارزمية نحل العسل كالتالي:

يمثل العدد الصحيح الطبيعي nf عدد النحلات العاملة الباحثة، و t دورة البحث الحالية. وبالتالي عدد النحلات المراقبة للرقصات هو N-nf أي مجموع النحلات ناقص عدد النحلات غير المتفرغة، بسبب بحثها.

يمكن كذلك تحديد معادلة لاحتمالية الاستكشاف ممثلة بصيغة إحصائية أخرى، فنجد الصيغة الغاوسية الجديدة:

فنجد σ تعبر عن معدل التطاير volatility، وهذه القيمة التي تتحكم في استكشاف وتنوع مناطق البحث المختارة.

عند عدم رقص أي نحلة نجد:

ما يعني أن النحلات ستبحث عشوائيًا.

في متحورات أخرى، عند تطبيقها لحل المشاكل المتقطعة مثل مشاكل الجدولة، تقوم النحلة الباحثة بأداء رقصة معينة في مدة زمنية محددة τ = γ fp. بحيث تعبر fp عن ربحية أو غنى منطقة الطعام، أي حقل الزهور وتركيز الرحيق بها. بينما γ هي معامل تحجيم للتحكم في الفترة الزمنية للرقصة. بالطبع الربحية مرتبطة بالدالة الهدف.

بالإضافة لهذا، يتم تصنيف كل مسار بطريقة ديناميكية. فنجد أن مسار أكبر عدد من النحلات هو المسار المفضل للخلية. كما أن احتمالية اختيار طريق بين نقطتين في مشكل توجيهي معين يمكن أن تتم وفق الصيغة التالية:

نجد 0<α و 0<β معاملا تأثير. Wij تعبر عن قوة الرقصة. وأيضا نجد أن dij تمثل معدل استحسان الطريق.

على غرار خوارزميات مستعمرة النمل، فخوارزمية نحل العسل HBA، جد فعالة في التعامل مع مشاكل التحسين المتقطعة مثل مشاكل التوجيه والجدولة. لكن في مواجهة التحسين المستمر، فهي غير مباشرة، وبالتالي في حاجة إلى بعض التعديلات.

خوارزمية النحلة الافتراضية

طورت خوارزمية النحلة الافتراضية Virtual Bee Algorithm من طرف Xin She Yang سنة 2005 من أجل مواجهة المشاكل المستمرة والمتقطعة. بحيث تتشابه في عدد من خصائصها خوارزمية استمثال عناصر السرب Particle Swarm Optimization أكثر من خوارزميات النحل الأخرى، ويقصد ب”الاستمثال” التحسين. في هذه الخوارزمية تمثل الدالة الهدف قيم الرحيق الافتراضية، بينما الحلول المحتملة هي مواقع غنية، بكميات متفاوتة، بالرحيق. كما أن قوة الرقصة تعتمد فقط على تركيز الرحيق، والذي يمكن اعتباره هنا معاملًا للملائمة fitness للحلول المحتملة.

في مواجهة المشاكل المتقطعة يتم ربط الدالة الهدف، مثل دالة تحديد الطريق الأقصر، مباشرة بربحية عملية استكشاف الرحيق. والتي بدورها ترتبط عملية استكشاف الرحيق، بقوة رقصة النحلة.

انطلاقًا من هذا، نلاحظ وجود تشابه كبير بين هذه الخوارزمية وسابقتها، خوارزمية نحل العسل. لكن رغم وجود هكذا تشابه، إلا أنه عند تدقيق النظر في آلية بحث النحلات، نجد الاختلافات. إذ أنها لا تحتاج للعودة للخلية من أجل إخبار نظيراتها بما اكتشفته، بحيث يمكنها بث محتوى الرقصة عن بعد لجميع النحلات. وبالتالي يصبح الحل الأمثل الحالي معلومًا عند كل نحلة باحثة ومؤثرًا على عملية اتخاد القرار الفردية. فنجد من هذا إختلافًا بنيويًا، لا يجعل منها تختلف عن خوارزمية نحل العسل فحسب، بل وتختلف كذلك عن كل خوارزميات النحل الأخرى.

خوارزمية مستعمرة النحل الاصطناعية

في هذه الخوارزمية، خوارزمية مستعمرة النحل الاصطناعية Artificial Bee Colony Algorithm، يتم تقسيم نحلات المستعمرة لثلاث أنواع. النحلات العاملة، والنحلات الكشافة، والنحلات المراقبة. فنجد لكل مصدر طعام نحلة عاملة واحدة تبحث محليًا عن الحل المحلي الأمثل. فيما يحاكي عملية استخراج الرحيق والانتقال من زهرة إلي أخرى. كما أن التخلي عن مصدر طعام معين، عند نضوبه أو انخفاض ربحيته، يعني مباشرة تحول نحلته العاملة إلي نحلة كشافة. فتبحث النحلة الكشافة بشكل عشوائي عن مصادر طعام أخرى.

تتشارك النحلات العاملة والنحلات الكشافة معلوماتها مع النحلات المراقبة، والتي تتمركز في الخلية. هذه الأخيرة، فيما بعد، تقرر منطقة بحثها متخذتةً بعين الاعتبار المعلومات التي وصلت إليها. لتصبح هي الأخرى نحلات عاملة وتنضم للفريق.

تطبيقات خوارزميات النحل

لكونها خوارزميات ناجحة، يمكن تطبيقها لحل مختلف أنواع المشاكل التحسينية. فنجد خوارزميات النحل حاضرة في كل مجالات التحسين الحوسبي فمن تطبيقاتها نجد:

تدريب الخلايا العصبية الاصطناعية.
تدريب نماذج الذكاء الاصطناعي.
التعلم العميق.
التصميم الصناعي.
مخطط الرقابة Control Chart في الهندسة الصناعية.

وتبقى التطبيقات الحالية كثيرة، والأخرى الممكنة لا حصر لها فالبحث لا زال جاريًا، والأفق مفتوح.

مصادر

ما هي لغة بايثون Python ومميزاتها؟ اعرف 8 استخدامات لها

البايثونPython هي لغة برمجة عالية المستوى تستخدم للأغراض العامة ومنتشرة على نطاق واسع. تم إنشائها بواسطة Guido van Rossum في عام 1991 وتم تطويرها بواسطة Python Software Foundation. صممت بالتركيز على قابلية قراءة الكود، حيث يسمح تركيبه للمبرمجين بالتعبير عن مفاهيمهم في عدد أقل من سطور التعليمات البرمجية. وهي لغة برمجة تتيح لك العمل بسرعة ودمج الأنظمة بشكل أكثر كفاءة. وهناك نسختان رئيسيتان من بايثون هما: بايثون 2 وبايثون 3 وكلاهما مختلف عن الآخر تمامًا. [1]

الفرق بين python 2 و Python 3

كلاهما يأتي مع الكثير من الميزات ودعم المكتبة، وعلى الرغم من توقف الدعم الرسمي لـ Python 2.x في عام2020 ، لا تزال لغة بايثون 2 مستخدمة على نطاق واسع لتطوير وإصلاح الأدوات الحالية.

وقد تم تطوير لغة البايثون 3 في شهر ديسمبر عام 2008، وذلك بهدف معالجة عيوب التصميم الأساسي وتصحيحها بالإضافة الى تحديث اللغة بشكلٍ عام، علاوة على إزالة الطرق القديمة لتنفيذ البرامج. لهذا السبب أصبحت لغة البايثون 3 غير متوافقة تمامًا مع لغة البايثون 2 وهذا ما فرض على معظم المطورين والمبرمجين تعلم لغة البايثون 3 وإعادة كتابة الأكواد البرمجية القديمة التي تمت كتابتها بلغة البايثون 2 كي تتوافق مع الإصدار الجديد من هذه اللغة البرمجية. [2]

مميزات لغة بايثون python

تعتبر بايثون python من أسهل اللغات التي يتم استخدامها في البرمجة. حيث تحتوي على مجموعة بسيطة وغير معقدة من الجمل. فضلاً عن أن كتابتها البرمجية تحتوي على كلمات بسيطة مكتوبة باللغة الإنجليزية، وهذا ما يجعلها لغة مناسبة جداً للمبتدئين.

أهم ما يميز لغة بايثون أيضاً أن مصادرها متاحة مجاناً ولا حاجة لدفع الأموال للحصول عليها. كما أن التحديثات الخاصة بها متاحة أيضاً ويمكنك الحصول عليها بسهولة.

ويعمل المبرمجون على تطوير هذه اللغة باستمرار.

لغة البايثون بها مكتبة متكاملة تساعدك على التعامل مع مجموعة مختلفة من العناصر مثل التعامل مع HTML، أو XML، أو GUI.

تتميز أيضاً أنها سريعة للغاية في عملية تطوير التطبيقات المختلفة. ومتاحة للاستخدام على مجموعة مختلفة ومتعددة من الأنظمة مثل Linux ، Windows، Macintosh. [3]

فيم تستخدم لغة بايثون Python؟

1. الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي. فنظرًا لأن Python هي لغة برمجة مستقرة ومرنة وبسيطة، فهي مثالية لمختلف مشروعات التعلم الآلي (ML) والذكاء الاصطناعي (AI).

2. تحليل البيانات. ويعد تحليل البيانات مجالًا سريع التطور يستخدم فيه برمجة Python. وتعتبر لغة Python اللغة الأسهل والأكثر مرونة لعلوم البيانات والتحليلات منطقية. ومن الجدير بالذكر أنها سريعة نسبيًا وسهلة الاستخدام لتحليل البيانات.

3. رسم الخطوط البيانية. ويعد الرسم البياني مجال اهتمام آخر شائع ومتطور، وبما أن البايثون لغة مفتوحة المصدر فإنها توفر مجموعة متنوعة من مكتبات الرسوم البيانية بالإضافة لجميع أنواع الميزات.

وسواء كنت تبحث عن تمثيل بياني بسيط أو مخطط كامل، يمكنك العثور على مكتبة تلائم احتياجاتك. مثل مكاتب: Pandas و Plotly.

4. برمجة التطبيقات. يمكنك برمجة جميع أنواع التطبيقات باستخدام Python. كما يمكن استخدام البايثون لقراءة وإنشاء أدلة الملفات، وإنشاء واجهات المستخدم الرسومية وواجهات برمجة التطبيقات، سواء كانت تطبيقات الصوت والفيديو أو تطبيقات التعلم الآلي، فيمكنك إنشاؤها جميعًا باستخدام Python.

5. تطوير الويب. وتعد لغة البايثون خيارًا رائعًا لتطوير الويب. هذا يرجع إلى أن هناك العديد من مساحات العمل خاصة بلغة البايثون وتستخدم لتطوير الويب، مثل Django و Pyramid وFlask. وتم استخدام هذه المساحات لإنشاء مواقع وخدمات مثل Spotify و Reddit و Mozilla بالفعل.

بفضل المكتبات والوحدات النمطية الشاملة التي تمتلكها هذه المواقع، فإن وظائف مثل الوصول إلى قاعدة البيانات وإدارة المحتوى وترخيص البيانات كلها ممكنة ويمكن الوصول إليها بسهولة.

6. تطوير الألعاب. فعلى الرغم من كونها بعيدة عن اعتبارها معيارًا صناعيًا في تطوير الألعاب، إلا أنه من الممكن إنشاء ألعاب بسيطة باستخدام لغة البايثون. هذا يعني أنها يمكن أن تكون أداة مفيدة لتطوير نموذج أولي بسرعة.

7. تطوير اللغة. تستخدم لغات عديدة مثل Cobra و CoffeeScript و Go جميعها صيغة مشابهة للغة بايثون. وهذه الحقيقة تعني أيضًا أن بايثون لغة جيدة كبداية. إذا كنت جديدًا تمامًا في البرمجة، فإن فهم لغة Python يمكن أن يساعدك على التفرع إلى مجالات أخرى ولغات أخرى بسهولة أكبر.

8. عالم المال. يتم استخدام Python بشكل متزايد في عالم المال، غالبًا في مجالات مثل التحليل الكمي والنوعي. ويمكن أن تكون أداة قيمة في تحديد اتجاهات أسعار الأصول والتنبؤات، وكذلك في أتمتة سير العمل عبر مصادر البيانات المختلفة. وكما ذكرنا سابقًا، تعد Python أداة مثالية للعمل مع مجموعات البيانات الضخمة، وهناك العديد من المكتبات المتاحة للمساعدة في تجميع المعلومات ومعالجتها. لهذا السبب، فهي إحدى اللغات المفضلة في مجال عالم المال. [4]

المصادر

Python.org

Scaler.com

Geeksforgeeks
Futurelearn

تاج محل وأبرز فصول حكايته

بناء مهيب يكسوه الرخام الأبيض الذي شبهه شعراء المغول بضوء الفجر وبالغيوم، وتحيط به حدائق تمتد على مساحة 170,000 متر مربع. لكنه ليس قلعة للاستجمام أو قصراً للاسترخاء، بل هو ضريح إحدى ملكات المغول التي عشقها زوجها ولم يطق صبراً على رحيلها. فكرّمها بهذا الصرح الذي خلد به ذكراها، حتى بعد مضي أكثر من ثلاثة قرون من الزمن. إنه تاج محل الذي يمثل أحد عجائب العالم السبع الجديدة، وأبرز المعالم السياحية في الهند، ودرة معمارية جمعت أنماط تصميم مختلفة [1].

موقع تاج محل

يقع تاج محل في ولاية أتر برديش (Uttar Pradesh) في شمال الهند، وتحديداً في مدينة أغرا (Agra) على الضفة اليمنى لنهر يامونا (Yamuna River). ولم يكن اختيار هذا الموقع بالصدفة، فقد فكر شاه جهان – الإمبراطور المغولي الذي أمر ببنائه – ملياً حتى وقع اختياره على هذا الموقع الذي يمكن له رؤيته من قصره في قلعة أغرا [2].

إمبراطور المغول والسبب وراء بناء تاج محل

كان شهاب الدين محمد الإمبراطور الخامس للمغول في الهند، وقد لقبه والده باسم “شاه جهان” ويعني “ملك الدنيا” [3]. وشاه جهان هو صاحب فكرة بناء هذا الضريح الكبير تخليداً لذكرى زوجته ممتاز محل. فعلى الرغم من تعدد زوجاته، كان ملك المغول مولعاً بممتاز – زوجته الثالثة – وقد حطم موتها فؤاده. فاستحال شعر رأسه ولحيته أبيض كالثلج في غضون بضعة أشهر [4].

ومن الجدير بالذكر أن ممتاز محال هي ابنة أخ نور جهان، وهي الزوجة المفضلة لوالد شاه جهان. اسمها أرجمند بانو بيجم، ووالدها آصف خان، أحد نبلاء بلاد فارس. لقبها زوجها شاه جهان بممتاز محل، ويعني هذا الاسم “حلية القصر المحببة”. كان زواجهما سعيداً وكانت تساعد السلطان في أمور الإدارة [5]. لكنها فارقت الحياة بعد ولادة ابنهما الثالث عشر، وكانت قد أخذت من زوجها وعداً بأن يشيد ضريحاً لها ويزوره في ذكرى وفاتها [4].

وبالفعل، قرر شاه جهان في عام 1631، بعد أن خرج من حالة حزنه وكآبته على فقدها، أن يشيد هذا البناء. حيث يعكس جماله وتناظره ودقة صنعته الجمال الأخاذ لصاحبة الذكرى والحب الكبير الذي كان يحمله زوجها في قلبه [4].

تشييد الضريح

يمثل تاج محل نموذجاً عن العمارة المغولية بسماته الهندية والإسلامية والفارسية. ويعتمد هذا النمط المعماري على رمزية محتويات البناء ومكوناته. وقد كان الهدف من تصميم تاج محل أن يمثل بيتاً لممتاز على الأرض يعكس بيتها في الجنة. فينطبع كامل المجمع بأجزائه المختلفة بهذه الفكرة، بالإضافة إلى وجود مفاهيم ثانوية أخرى تبرز من خلال التصميم. كما تتفاعل كافة أجزائه من أبنية وزخارف ومواد بناء وتخطيط هندسي. ويمتد هذا التفاعل من الأجزاء المحسوسة ليصل إلى الجوانب المجردة كالدينية والشعرية والفكرية [6].

تمتد الرمزية إلى مواد البناء المستخدمة وألوانها. فقد كان الهدف من إدخال الرخام الأبيض في البناء هو ارتباط الحجارة البيضاء ببيوت طبقة الكهنة لدى الهنود. وبالتوازي، كانت الحجارة الحمراء مرتبطة بطبقة المحاربين الهندية، ولهذا السبب استخدمت الحجارة الرملية الحمراء. ومن خلال استعمالهم لهذا الترميز في مواد البناء، كان المغول يتماهون مع الطبقتين الاجتماعيتين الحاكمتين عند الهنود، وبهذا رسخوا أنفسهم كحكام للهند وفق التقاليد الهندية [6].

استمر العمل على بناء الضريح لأكثر من عشرين عاماً، وكان المهندس المعماري الرئيسي المشرف على العمل الأستاذ أحمد لاهوري. وهو مهندس من أصول فارسية. كما عمل أكثر من 20 ألف عامل من الهند وإيران وآسيا الوسطى، من بنائين ونحاتين ودهانين وخطاطين وحرفيين [7، 8].

أقسام تاج محل

ينقسم كامل مجمع تاج محل إلى أكثر من مبنى وجزء، وتحيط به حديقة واسعة وتزينها نوافير وبحرات مائية.

الضريح الأساسي

يقع الضريح الرخامي الأبيض على قاعدة مربعة، ويتألف من بناء متناظر تعلوه قبة مزينة. أما مدخله فقد صمم على الطراز الفارسي الذي يتميز ببوابته المقنطرة [9]. تشكل القبة المركزية فوق القبر أكثر الأجزاء وضوحاً. حيث يضفي عليها الرخام الأبيض طابعاً ملفتاً للنظر على الفور، بالإضافة إلى ارتفاعها على القاعدة الأسطوانية، الأمر الذي يجعلها أكثر بروزاً. وتزين قمة القبة بزخرفة على شكل زهرة اللوتس مما يزيد من ارتفاعها. كما تحيط بها أربع قبب أصغر، تساعد على إبرازها وتوجيه تركيز الناظر إليها. وتتشارك معها بالزخرفة المذهبة التي تشبه زهرة اللوتس [10].

ينعكس التناظر المعماري في البناء بوجود أربع مآذن محيطة بقاعدة الهيكل الرئيسي. ويتعزز التناظر في أبراج المآذن بوجود شرفتين تحيطان بكل برج، وتقسمانه إلى ثلاثة أجزاء متساوية بالطول [10].

الأبنية المحيطة

شيد إلى جانبي الضريح مبنيان متطابقان، وهما المسجد من جهة الغرب وغرفة الاستراحة أو غرفة الضيوف من جهة الشرق. ينقسم حرم المسجد إلى ثلاث مساحات على نمط الطراز السائد في المساجد المغولية في ذلك الوقت. وترتفع فوق كل مساحة منها قبة مسقوفة. أما غرفة الاستراحة فتشكل نسخة مطابقة للمسجد، ويخلق تطابقهما توازناً في التناظر الثنائي للبناء ككل. وكان الهدف الرئيسي لبنائها إيواء الزوار الذين كانوا يتوافدون في كل ذكرى سنوية لوفاة الأميرة ممتاز محل إحياءً للمناسبة [11].

يوجد أمام كل من المسجد وغرفة الضيوف منصة كبيرة ترتفع عن سطح أرض الحديقة المحيطة، مما يجعل المنطقة التي تصل بين المنصة والضريح أشبه بمساحة مستطيلة غائرة. وتوجد أمام المسجد بحيرة ماء تخدم أغراض الشعائر الدينية للمصلين، وتحديداً الوضوء قبل الصلاة. أما البحيرة أمام غرفة الضيوف، فهي صورة مقابلة لتلك الموجودة في المسجد للحفاظ على التناظر، وليس لها غرض محدد [11].

الحدائق

اقتبس المغول مفهوم حدائق الجنة من الفرس، وقد كان هذا أول تعبير معماري للإمبراطورية الجديدة في الهند. ويتجسد هذا الفن في حدائق تاج محل [12].

تقسم الحديقة المربعة بممرين رئيسيين إلى أربعة أقسام متساوية. وبدوره، يعبر من كل قسم ممرات فرعية تقسمه أيضاً إلى أرباع أصغر، مما يشكل بالمجمل ست عشر قسماً فرعياً. ويحيط الحديقة بأكملها ممر للمشي ويتفرع عنه ممرات تتقاطع مع تلك الموجودة في الداخل. وتمثل هذه الأنماط الهندسية سمات الزخرفة المعمارية المغولية في بداياتها. ولكن تم استبدالها بزخارف نباتية كتلك التي تزين الضريح. في حين اقتصرت الأشكال الهندسية على تزيين الأرضيات [12].

عند تقاطع الممرات في المركز، ترتفع منصة من الرخام الأبيض وتضم حوضاً مائياً للزينة. يوجد في هذا الحوض خمس نوافير؛ واحدة في كل زاوية وواحدة في المنتصف. ويعد انعكاس الضريح على صفحة الماء من أكثر الصور المميزة لتاج محل، فهي تعمق فكرة التناظر المعماري. وقد تم استجرار الماء إلى الحديقة من نهر يامونا المجاور عبر قنوات مائية ومنها توزعت في أنابيب إلى كامل الحديقة [12].

أهمية تاج محل

أدرج تاج محل على قائمة التراث العالمي في عام 1983 لأنه يمثل ” أفضل جوهرة في الفن الإسلامي في الهند إحدى أبرز تُحف التراث البشري التي هي محطّ إعجاب العالم بأسره” حسب موقع منظمة اليونسكو. علاوة على ذلك، أعلن في عام 2007 عن فوزه ضمن مبادرة عجائب العالم السبعة الجديدة [1، 7].

وتعد زيارة هذا المعلم من أساسيات السياحة في الهند. إذ يستقطب بين 7 و8 مليون سائح كل عام. كما يتوجب على السياح أن يترجلوا في مواقف السيارات، حيث يمكنهم عبور البوابة إما مشياً أو باستخدام الحافلة الكهربائية [13].

المصادر

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

ما هي المدن الذكية؟

هذه المقالة هي الجزء 1 من 18 في سلسلة كيف ستغير المدن الذكية من شكل عالمنا؟

إلى أي مدى نستطيع الاستفادة من التطور التكنولوجي من أجل تحقيق مستقبل أفضل لمحيطنا وتحسين جودة الحياة؟ هذا ما تدور حوله فكرة المدن الذكية، فما هي المدن الذكية؟

ما هي المدينة الذكية؟

مع التطور التقني والتكنولوجي الذي أخذ يؤثر شيئًا فشيئًا بشكل متزايد على نمط حياتنا وكل ما حولنا، ظهر نوع جديد من المدن عُرف باسم المدن الذكية. والمدن الذكية هي المدن التي يشترك فيها أصحاب المصالح والجهات الفاعلة بالمسؤولية في الإدارة الحضرية. وتعرف الإدارة الحضرية في المدن الذكية باسم «إدارة معلومات المدن- CIM»، وهي أداة إنتاج لتخطيط وإدارة المدن الذكية.

تعمل إدارة معلومات المدن على الاستفادة القصوى من التقدم العلمي والتكنولوجي وإشراك البرامج الحديثة مثل تقنية «سلسلة الكتلblockchain-» و«نمذجة معلومات المباني-BIM» من أجل تحقيق بنية تحتية مستدامة. كما تسعى لتحقيق أهداف التنمية الاقتصادية والمستدامة لتحسين نوعية حياة سكانها.

تاريخ المدن الذكية

ظهر مصطلح المدن الذكية لأول مرة في التسعينات [1] ولم يتحدد حتى الآن بتعريف واحد ثابت وسيبقى يتغير ويتطور باستمرار تبعًا للجهات الفاعلة. ولكن يبقى الأمر متعلقًا بالأبعاد الستة المستخدمة لقياس تطور المدن الذكية وهي: أُناس أذكياء، واقتصاد ذكي، وحكومة ذكية، وتنقل ذكي، وحياة ذكية، وبيئة ذكية [2].

ويعرّف «المعهد البريطاني للمعايير-BSI» [3]المدن الذكية باعتبارها التكامل الفعّال للنظام المادي، والرقمي والبشري في البيئة المبنية لتحقيق مستقبل مستدام ومزدهر وشامل لمواطنيها.

تستطيع كل مدينة إجراء تعديلات وتحسينات خاصة بها تبعًا لاحتياجاتها باستخدام التكنولوجية الحديثة كوسيلة وأداة لتحقيق التنمية الحضرية عن طريق تجميعها للبيانات والمعلومات في جميع أنحاء العالم فتنتج تغيرات نوعية في كميات كبيرة من البيانات وتعزز الابتكار والتغيير [5].

يحدد «ديسوزا-Desouza» وباحثون آخرون [6] ثلاث مسارات لتنمية المدن الذكية وهي أرض جديدة، وحي وساحة. ولأن المدينة تنطلق من الفرد، يتطلب تطوير المدن الذكية التركيز على المواطن وتحسين نوعية حياة السكان [4]. يأتي هذا كهدف أساسي، ويوضح واضعو السياسات أن التكنولوجيا والتنمية الحضرية ليست جوهر صنع السياسات بل رعاية المواطنين. يتحقق ذلك عبر العمل على ثالوث التنمية الاقتصادية والاجتماعية والبيئية على المدى الطويل.

أثر التجديد الحضري والمدن الذكية في تحقيق التنمية

شهدت التنمية الحضرية مراحل تطور متعددة، فتشكلت الاستراتيجية الحضرية الحالية وفقًا للتحديات التي واجهتها [9]. فكل تجديد حضري هو عملية تحسين حضري متراكم. حيث شهدت المدن الغربية خمس تحولات من إعادة الإعمار في الخمسينات، والإنعاش الحضري في الستينات، والتجديد الحضري في السبعينات، ثم التنمية الحضرية في الثمانينات إلى الإحياء الحضري في التسعينات.

يتحقق إصلاح المدينة عند دراسة التحديات الفعلية التي تواجهها، وتحديد الفرص التي تمتلكها، وتطوير سياسات جديدة متوافقة معها، وإدارة المدينة بأسلوب ممنهج، وتحسين نوعية الحياة في ذات الوقت [5].

وتستطيع استراتيجية المدينة الذكية أن تجلب تغييرات جذرية على المدن وتحسن صورتها ووضعها، وتعزز التنمية الاقتصادية وصناعات المدن الذكية، وتجذب مواهب عالية الجودة. كما تشكل المدن الذكية نموذجًا من المستوطنات قادر على الصمود في ظل حالات الطوارئ المناخية [7].

لذلك تعتبر المدن المستدامة الذكية حاليًا النمط الرئيسي المعتمد للتنمية في جميع أرجاء العالم. وذلك لأنها أبدت أفضل الاستجابات للتغييرات البيئية الحاصلة. وتشير المدن الذكية إلى مدى نزاهة وصدق الحكومات، وقدرتها على صنع شبكة اقتصاد عالمية وتحسين جودة الحياة [8].

دراسة حالة: تحول حي بوبلينو في برشلونة

عند دراسة حالة «بوبلينو-poblano» البرشلونية كحالة يرتكز تطورها على الاندماج الاجتماعي [10] وهو أسلوب مرن لدمج القادمين أو الأقليات في الهيكل الاجتماعي للمجتمع المضيف، تقوم المدينة بتطوير اتجاه ورؤية بعيدة المدى وتقدُّمية ومستدامة. وباعتبارها مدينة ذكية، تحتاج الكثير من الخبرات والفهم والمعلومات والمواهب لتحقيق النجاح وتستطيع تحقيق المزايا التالية:

استقطاب الأفراد ذوي العقول والمواهب كي يولّد زخم ابتكار قوي للمجتمع ويطور مقدرته على مواجهة تحديات التنمية الحضرية. [11]
تعزز المدينة بناء البنية التحتية والأمن والرفاهية مثل بنية الأعمال التجارية، والمرافق الثقافية والترفيهية، والتعليم الطبي، والسكن والنقل. [12]
يكثر الاستثمار في العقارات مثل مراكز المواهب، ومناطق الأعمال والمدارس والاستثمار في القطاعات العامة كالمواصلات، والجامعات، والمرافق الثقافية والسياحية. [13]
قيام علاقات منفعة متبادلة بين التعليم الجامعي والشركات فتتمكن الجامعة من اكتساب خبرة عملية وتستمد الشركات المعارف والمهارات. [14]
تجعل المواطنين جزءًا من التنمية الحضرية عن طريق تشجيعهم وإشراكهم في جلسات حوار. [15]
يمكن للمعرفة المرنة أن تخلق بشكل فعّال قيمة للمدن وتقدم حلول أنسب للإدارة الحضرية. [16]

توضح حالة بوبلينو أن بناء مدينة المعرفة الذكية يتطلب تحليل الوضع الراهن، ثم وضع خطط استراتيجية بعد مناقشتها مع كل الجهات الفاعلة في المجتمع، وصياغة خطة تعتمد على الوقائع من خصائص المدينة والإمكانيات والمحددات.

أثر التكنولوجيا في تحقيق التنمية المستدامة

أصبحت الأجهزة والخدمات الذكية جزءًا أصيلًا من المدن الذكية. [19] ويمكن أن توفر إدارة معلومات المدن CIM أفكار للتعامل مع مشاكل البناء الحضري. [20] وتتشكل سيم من منصة مدمجة مع «نظام المعلومات الجغرافية-GIS»، وأدوات تحليل البيانات، وأدوات المرئيات وأدوات التصميم البارميتري [23]. وتقوم بتوفير الدعم القوي للإدارة الشاملة للمدن.

ولا يقتصر استخدام التكنولوجيا فقط على بناء مبتكر وشامل للبنية التحتية الجديدة بل أن تلعب تلك البنية التحتية دورًا رئيسيًا في تحقيق التحول الرقمي والذكي للصناعات الحضرية من خلال تنفيذ بنية جديدة وواسعة للبيانات الضخمة. فتساعد في صنع شكل اقتصادي وتكنولوجي جديد من خلال تحويل المجتمع إلى مجتمع صناعي وزيادة توسعه. [21]

يتكامل عمل سيم مع نمذجة معلومات المباني BIM، حيث يعتبر الاتجاه الرئيسي لإدارة المعلومات في الصناعة المستقبلية للبناء.[22]

يجب على البناء الذكي أن يجعل التنمية المستدامة كجزء من المدينة الذكية طوال دورة حياة المدينة. حيث تعد الاستدامة ركيزة هامة لتنمية المدن الذكية. [18]فظهرت مفاهيم لحماية البيئة الخضراء وجعل المجتمع أكثر استدامة ولكن لا تزال الفجوة قائمة بين الفكرة والتنفيذ [24]. بسبب تخلف أعمال البناء عن القطاعات الأخرى في استخدام تكنولوجيا المعلومات الرقمية. [25, 26]

المصادر

1– research gate
2- semantic scholar
3- bsi
4- research gate
5- urban institute
6- taylor & francis
7- monash university
8- taylor & francis
9- research gate
10- mdpi
11- sage journals
12- research gate
13- coventry University
14- research gate
15- sage journals
16- ideas
17- ntnu open
18- research gate
19- research gate
20-science direct
21- repository
22- the hong kong polytechnic University
23- mdpi
24- graz University of technology
25- research gate
26- research gate

ما هو الحساس sensor وأشهر أنواعه في الروبوتات؟

تساعد الحساسات الروبوتات على اتخاذ قرارات أكثر ذكاءً وتمنحهم القدرة على الاستجابة للأوامر مما يمكنهم من العمل مع البشر بشكل وثيق. يمكّن الحساس -باختلاف أنواعه- الروبوت من تحديد درجة الحرارة أو قرب الكائن منه وبالتالي يقرر الروبوت التصرف وفقًا لذلك. [١]

يقوم الحساس بتحويل كمية فيزيائية مثل الضغط ودرجة الحرارة والإشعاع والموضع والشدة الضوئية إلى كمية كهربائية تتمثل في الجهد أو التيار أو الشحنة.[٢]

أنواع الحساسات الأكثر شيوعاً

الحساسات التقاربية (Proximity Sensor).
حساس الموجات فوق الصوتية (Ultrasonic Sensor).
حساس درجة الحرارة (Temperature Sensor).
حساس الموجات تحت الحمراء (IR Sensor).
حساس الضغط (Pressure Sensor).
حساس اللون (Color recognition Sensor).
حساس الرطوبة (Humidity Sensor).
حساس اللمس (Touch Sensor ).
حساس الغاز والدخان (Smoke and Gas Sensor).

حساس درجة الحرارة

تعمل حساسات الحرارة وفق مبدأ بسيط وهو كلما تغيرت درجة حرارة المحيط تغيرت بعض خصائص الحساس الفيزيائية مثل المقاومة أو الجهد الكهربائي. وهناك العديد من الحساسات المختلفة للحرارة مثل: الحساس LM35، والمقاومة الحرارية، والمزدوجة الحرارية، وغيرها.

تُستعمل الحساسات الحرارية في كل مكان من حولنا، فهي موجودة في الحواسيب، والهواتف الذكية، والسيارات، ومكيفات الهواء وغيرها الكثير.[٣]

الحساسات التقاربية

الحساس التقاربي عبارة عن حساس غير لمسي يكشف عن وجود جسم ما بالقرب. ويمكن تقسيم أنواع الحساس التقاربي إلى عدة أنواع فرعية مثل: الحساس التقاربي الحثي، والحساس التقاربي السعوي، والحساس التقاربي الضوئي.

تشمل بعض تطبيقات الحساسات التقاربية الهواتف الذكية، والسيارات، والطائرات وغيرها الكثير.[٤]

حساسات الموجات تحت الحمراء

هناك نوعان من حساسات الموجات تحت الحمراء، وهي الحساسات المُرسِلة والحساسات العاكسة.

الحساسات المُرسِلة (Transmissive)

يوضع مُرسل الأشعة تحت الحمراء (عادة ما يكون عبارة عن ليد أشعة تحت حمراء IR LED) ومُستقبِل الأشعة تحت الحمراء (عادة ما يكون ديود ضوئي) بحيث يقابلان بعضهما البعض. وعندما يمر جسم ما بين المرسل والمستقبل، يستشعر الحساس وجوده. يعمل هذا النوع عادة كحساس تقارب، ويستخدم بشكل شائع في أنظمة اكتشاف العوائق (مثل الروبوتات) وأنظمة الأمان.

الحساسات العاكسة (Reflective)

في الحساسات العاكسة، يوضع المستقبل والمرسل جنبًا إلى جنب بحيث يقابلان الجسم، عندما يمر جسم أمامهما (المرسل والمستقبل) يستشعر الحساس وجود الجسم. يتم استخدام هذا النوع من الحساسات في الكثير من الروبوتات والسيارات والهواتف المحمولة. [٢]

حساس الموجات فوق الصوتية

هو جهاز إلكتروني يقيس البعد عن الجسم المستهدف عن طريق إصدار موجات فوق صوتية، حيث يحول هذه الموجات إلى إشارة كهربائية. وتحتوي الحساسات فوق الصوتية على مكونين رئيسيين: جهاز الإرسال (الذي يصدر الصوت باستخدام بلورات كهروضغطية) والمستقبل (الذي يصادف الصوت بعد انتقاله من وإلى الهدف).

يمكن استخدام هذه الحساسات في تقنية وقوف وركن السيارات الذاتية وأنظمة السلامة المضادة للتصادم. كما تُستخدم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية أيضًا في أنظمة الكشف عن العوائق الروبوتية بالإضافة الى تكنولوجيا التصنيع.[٥]

حساس الضغط

يتكون من عنصر يتحسس الضغط ويحدد الضغط الفعلي المطبق عليه. يقوم مُستشعر الضّغط بتحويل الضّغط إلى إشارة كهربائيّة صغيرة يتم إرسالها وعرضها على أجهزة القياس أو على شاشة الحاسوب. وتُسمى حسّاسات الضّغط هذه أيضاً بأجهزة إرسال الضّغط. يُعبّر عن الضغط المُقاس بتيّار كهربائيّ تتراوح قيمته بين 4 و20 مللي أمبير، أو يُعبّر عنه بجهد كهربائيّ تتراوح قيمته من 0 إلى 5 فولت وذلك حسب قيمة الضّغط الفعليّة.[٢]

حساس اللون

هو جهاز يتحسّس و يكتشف الألوان باستخدام انبعاث الضوء من الأوساط الخارجية، ثم يحلل الضّوء المنعكس من هذا الوسط لتحديد لونه. وتوجد مجموعة واسعة من التطبيقات التي تَستخدِم حساّسات للألوان مثل: آليات فرز العناصر حسب اللون، وأنظمة التحكم بالجودة، وتحسين لون الطباعة وغيرها. وذلك لأنّ هذه الحسّاسات تتحسّس الألوان بشكل دقيق.[٢]

حساس الرطوبة

يقيس هذا الحساس الرطوبة النسبية (نسبة الماء في الهواء). ونظرًا إلى اعتماد الرطوبة النسبية على درجة حرارة الهواء، يمكن لجميع مستشعرات الرطوبة تقريبًا قياس درجة الحرارة. ويستخدم حساس الرطوبة في العديد من التطبيقات منها أنظمة مراقبة الطقس وفي المتاحف والمعامل الحيوية ومخازن الدواء والمنتجات الحساسة للرطوبة.[٢]

حساس اللمس

تكتشف حساسات اللمس لمسة إصبع أو قلم. وبالطبع فإن جميع أجهزة الشاشات التي تعمل باللمس (الهواتف المحمولة، والأجهزة اللوحية، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وما إلى ذلك) بها مستشعرات تعمل باللمس.[٢]

حساسات الدخان والغاز

من أجهزة الاستشعار المفيدة في التطبيقات المتعلقة بالسلامة. يتم تجهيز جميع المكاتب والمصانع والمدارس تقريبًا بالعديد من أجهزة الكشف عن الدخان، والتي تكتشف أي دخان (خوفًا من اشتعال الحريق) وتصدر صوت الإنذار. كما تعتبر مستشعرات الغاز أكثر شيوعًا في المختبرات والمطابخ الكبيرة والصناعات لأن هذه الحساسات تستطيع اكتشاف أنواع غازات مختلفة مثل غاز البترول المسال والبروبان والبيوتان والميثان وغيرها.[٢]

هناك العديد من أنواع الحساسات الأخرى كحساس التسارع وحساس الصوت وحساس المستوى ولكل منها تطبيقات عديدة ومفيدة. إلا أن هذا المقال قد وفّر لك نبذة عن أهمية الحساسات بشكل عام وفي صناعة الروبوت بشكل خاص.

المصادر:

ما هو التصميم الميكانيكي؟ وما هي مميزاته ومهاراته وأقسامه؟

التصميم الميكانيكي هو عملية تتضمن تصميم آلة جديدة تمامًا أو تحسين وظيفة آلة سابقة. والجزء التصميمي هو أهم وأول جزء في عملية تصنيع وإنتاج أي آلة، ويتم عن طريق تصميم الأجزاء أو القطع أو المنتجات ذات الطبيعة الميكانيكية مثال: تصميم عناصر الآلية المختلفة كالأعمدة أو القوابض أو المسننات.

معايير التصميم الميكانيكي

يوجد العديد من المعايير في عملية التصميم الميكانيكي، إذ يجب صياغة مشكلة التصميم ببيانات واضحة وكاملة للوظائف والمواصفات. ويتم ذلك عن طريق الخطوات التالية:
أولًا: تحديد الوظائف المطلوبة من المنتج والتي يمكن له تنفيذها.
تتمثل مثلًا: وظيفة الشاحن النموذجية في شحن الطاقة للإلكترونيات، وتتمثل وظيفة المكنسة الكهربائية في تنظيف الأرضيات، وهناك العديد من الأمثلة الأخرى.
ثانيًا: تحديد المواصفات والمتطلبات بدقة. حيث يجب تحديد مواصفات المنتج من حيث الحجم أو الوزن أو الدقة أوحجم العمل المطلوب أو السرعة أو سعة الحمولة.
ثالثًا: معايير التقييم، وهي بيانات الخصائص أو النوعية المرغوبة المحددة من قبل العميل، ويتم التعامل معها كأهداف في التصميم. إذ يقلل تعيين معايير التصميم من عيوبه المحتملة.
على الرغم من أن المواصفات والمعايير تختلف من تصميم منتج إلى آخر؛ إلا أن بعض المعايير الشائعة تنطبق على أي أنظمة ميكانيكية. تشمل هذه المعايير قدرة التحميل والتشوه والاستقرار والمتانة [1].

أقسام التصميم الرئيسية

قسم تطوير المنتج:
يركز هذا القسم على شكل المنتج العام ويعمل على إنشاء رسم يدوي لشكل المنتج أو التصميم المطلوب من العميل.وينتهي العمل في هذا القسم بعد إنشاء نموذج أولي مستوفٍ للعناصر الرئيسية.
قسم التصميم:
يعمل هذا القسم على إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد انطلاقًا من الرسم ثنائي الأبعاد الذي تم رسمه مسبقًا.
قسم التحليل:
في هذه المرحلة يتم التحقق من إمكانيات وأساسيات التصميم. فيحول ويعالج ملف التصميم المعطى من خلال تحليل العناصر، والتأكد من صحة التصميم وكيفية عمله كي لا يفشل التصميم عند تنفيذه على أرض الواقع[2].

مهارات يجب أن يكتسبها مهندسي التصميم الميكانيكي

1-الاهتمام بأدوات التصميم بمساعدة الحاسوب والمحاكاة

يجب على المهندس أن يركز على تعلم بعض الأدوات المتعلقة بـ CAD، مثل CATIA V5 و Solidworks و Autocad وما إلى ذلك. يستطيع استثمار الأموال في برامج التعلم ومحاولة الحصول على شهادات لها . يمكنه حتى محاولة القيام بمشاريع صغيرة باستخدام برامج CAD والتحليل. إذا كان بإمكانه تعلم أي أداة تحليل ومحاكاة مثل Ansys و Matlab فستكون مفيدة للغاية.

2-معرفة المواد

يجب أن يدرك المصمم جيدًا خصائص المواد وتطبيقاتها. ويجب أن يعرف أيضًا أن العمليات تكمن في المعالجة الحرارية، وطلاء المسحوق على المادة.

3. الرسم الصناعي ومعاييره

يجب أن يكون مصمم الآلة على دراية جيدة بالتفاوتات الهندسية والملاءمة والحدود. لأن أي تفصيل خاطئ يسبب تغييرًا كبيرًا في دقة عمل الآلية.

4-معرفة الميكاترونكس

غالبًا ما يتعاملالمهندسون الذين يحرصون على التخصص في الميكاترونكس مع هندسة أنظمة التحكم. ولتصميم نظام التحكم، يحتاج المرء إلى أن يكون على دراية جيدة بـ MATLAB / Simulink. لأنه سيساعد أثناء محاكاة حركة الهيكل الخارجي للآلة باستخدام إشارة مرجعية.

5-إتقان الرياضيات

إذا كان المصمم يعمل في مجال CAE، يجب أن يتقن الرياضيات المستخدمة في البرنامج بحيث يكون لديه ميزة إضافية عن مجرد تشغيل البرنامج.

6. الإبداع

تشمل الهندسة الميكانيكية إنشاء وتصميم المنتجات التي تمتد من البطاريات إلى المولدات الكهربائية إلى الأدوات الطبية. ويتضمن اختراع المنتجات قدرًا كبيرًا من الخيال والإبداع.

7-التحسين

يجب أن يتعلم المصمم كيفية التحسين، فقد يحتاج إلى تقليل الوقت والمال وكذلك تقليل الهدر.

8-الجمالية وبيئة العمل

يجب أن يؤخذ في عين الاعتبار ما إذا كانت أولوية التصميم أن يبدو جماليًا ، أي أن المنتج يجب أن يكون قابلاً للتسويق .[3]

مميزات التصميم الميكانيكي

• من الممكن تحليل التصميم بكل سهولة وإجراء أي تغييرات في وقت قصير وبدون خسارة مادية.
• يمكن للعديد من الأشخاص العمل معًا على فكرة واحدة.
• التصميم الميكانيكي يوضح بشكل كامل حركة الآلية ويساعد المصممين على تصحيح أي خطأ.
• يمكن للعملاء أو المعنيين فحص التصميم المطلوب قبل تنفيذه.

مجالات التصميم الميكانيكي

ميكانيك الموائع الطبية والهندسية.
أنظمة المركبات الأرضية.
نقل الحرارة والديناميكا الحرارية.
أنظمة الطاقة.
أنظمة النقل.
التحكم ومراقبة الجودة.

يعتبر التصميم الميكانيكي مجالًا مطلوبًا في عدد كبير من الصناعات مثل صناعة السيارات، وهو مطلوب أيضا في المعامل ومجال الفضاء فكل هذه الأماكن تحتاج لمهندس ميكانيكي يقوم بتصميم المكونات والأنظمة فيها.
مثلاً: تحتوي الطائرة أو السيارة أو القمر الصناعي على آلاف المكونات التي تشكل الأنظمة الفرعية وفي النهاية تشكل النظام الكامل. [4]

المصادر :

السمات المعماريّة والأداء الزلزالي للمنشآت

تدفع الرغبةُ في إنشاء مبنىً جميلٍ وفعّالٍ وظيفيًّا المهندسين المعماريّين لتصوّر منشآت رائعة وخياليّة. أحيانًا، يلفتُ شكل المبنى انتباه الزائر، وأحيانًا يلفته «النظام الإنشائي-Structural System»، وفي حالاتٍ أخرى يعمل كلٌّ من الشكل والنظام الإنشائيّ معًا لجعل المُنشأ أعجوبةً.
إنّ لكلٍّ من خيارات الشكل والنظام الإنشائيّ هذه؛ تأثيرًا كبيرًا على الأداء الزلزالي للمنشآت أثناء الزلازل القويّة. وتعدّ المجموعة الواسعة من الأضرار الإنشائيّة الملاحَظَة أثناء الزلازل الماضية في جميع أنحاء العالم؛ مفيدةً للغاية في تحديد التصاميم الإنشائيّة المرغوبة، وتلك التي يجب تجنّبها. [1]

قياسات المُنشأة

يكون الأداء الزلزالي للمنشآت التالية سيّئًا:

في المباني الشاهقة ذات نسبة (الارتفاع إلى مساحة القاعدة) الكبيرة، تكون الحركة الأفقيّة للطوابق أثناء اهتزاز الأرض كبيرة. (الشكل 1a). وفي المباني قصيرة الارتفاع ذات الامتداد الأفقيّ الطويل، تكون الأضرار أثناء اهتزاز الزلزال كثيرة؛ (الشكل 1b). وفي المباني ذات المساحة الكبيرة كالمستودعات، يمكن أن تكون القوى الزلزاليّة الأفقيّة كبيرةً جدًّا بحيث لا تستطيع الأعمدة والجدران تحمّلها؛ (الشكل 1c). [1]

المباني التي يكون أحد أبعادها أكبر بكثير أو أصغر بكثير من البُعدَين الآخرَين، يكون أداؤها الزلزالي سيّئًا

التخطيط الأفقيّ للمنشأة

بشكلٍ عام، كان الأداء الزلزالي للمنشآت ذات الشكل الهندسي البسيط جيّدًا أثناء الزلازل القويّة؛ (الشكل 2a). أمّا المباني ذات الزوايا (أي التي يكون مسقطها الأفقيّ بشكل U, V, H أو+)؛ فقد تعرّضت لأضرار كبيرة؛ (الشكل 2b). كثيرًا ما نتجنّب التأثيرات السيّئة لهذه الزوايا الداخليّة في المساقط الأفقيّة للمباني بتقسيم المبنى إلى قسمين (كتلتين). على سبيل المثال، يمكن تقسيم المخطّط ذي الشكل L إلى مستطيلَين بفصلهما عند موضع التقاطع (الشكل 2c). غالبًا ما يكون المخطّط بسيطًا، لكنّ الأعمدة و/أو الجدران غير موزّعة بشكل مناسب. تميل هذه المنشآت إلى «الالتواء-Twisting» (الدوران حول المحور الشاقوليّ Z) أثناء اهتزاز الزلزال. [1]

تؤدّي الأبنية ذات المخطّط البسيط أداءً جيّدًا أثناء الزلزال

التخطيط الشاقوليّ للمنشأة

تحتاج القوى الزلزاليّة التي تطوّرت في مستويات طوابق مختلفة أن تنزل إلى الأرض بأقصر مسار. يؤدّي أيّ انحراف أو «انقطاع-Discontinuity» في مسار نقل الحمولة هذا؛ إلى ضعف أداء المبنى. وتسبّب المباني ذات الانتكاسات الشاقوليّة (مثل مباني الفنادق ذات الطوابق القليلة الأعرض من البقيّة) قفزةً مفاجئة في قوى الزلازل عند مستوى الانقطاع؛ (الشكل 3a).

تميل المباني التي تحتوي على عدد قليل من الأعمدة أو الجدران في طابق محدّد أو ذات طوابق عالية بشكل غير عادي -كالأبنية ذات الطوابق الأرضيّة المخصّصة لوقوف السيارات- إلى الانهيار بدءًا من ذلك الطابق؛ (الشكل 3b).

أما المباني على «الأرض المنحدرة-Slopy Ground» فلها ارتفاعٌ غير متساوٍ للأعمدة على طول المنحدر. يسبّب هذا الارتفاع غير المتساوي تأثيرات سيّئة مثل الانفتال والتضرّر في الأعمدة القصيرة؛ (الشكل 3c). وللمباني ذات الأعمدة المستندة على جيزان في طابق متوسّط، ولا تصل إلى الأساس، انقطاعاتٌ في مسار نقل الحمولة؛ (الشكل 3d).

تمتلك بعض المباني جدران خرسانيّة مسلّحة لنقل حمولات الزلزال إلى الأساس. والمباني التي لا تصل فيها هذه الجدران إلى الأرض، وتتوقّف عند مستوى أعلى؛ معرّضة للتضرّر الشديد أثناء الزلازل؛ (الشكل e3). [1]

تؤدّي الانحرافات المفاجئة في مسار نقل الحمولة على طول الارتفاع إلى ضعف أداء المباني

تجاور المنشآت

عند وجود مبنيَين قريبَين جدًّا من بعضهما، فقد يصدمان بعضهما البعض أثناء الاهتزاز الشديد. ومع زيادة ارتفاع المبنى، يمكن أن يكون هذا الاصطدام مشكلةً أكبر. عندما لا يتطابق ارتفاعا المبنيَين (الشكل 4)، فقد يصدم سقف المبنى الأقصر أحد أعمدة المبنى الأطول في منتصفه؛ يمكن ان يكون هذا خطيرًا جدًّا. [1]

يمكن أن يحدث الاصطدام بين المبنيَين المتجاورَين بسبب اهتزازاتهما الأفقيّة

الفتل في المنشآت

يطلق المهندسون الإنشائيّون على الالتواء (الالتفاف) في المباني اسم «الفتل-Torsion». إذ يحرّك الفتل أجزاءً مختلفة في نفس مستوى الطابق أفقيًّا بقيم مختلفة. يؤدّي هذا التحريك إلى مزيد من الضرر في «الإطارات-Frames» (وهي جملة الأعمدة والجيزان) والجدران في الجانب الذي يتحرّك أكثر.

تأثّرت العديد من المباني بشدّة من هذا السلوك الالتوائيّ المفرط أثناء الزلازل الماضية. لذلك، من الأفضل تقليل هذا الالتواء (إن لم نتمكّن من تجنّبه تمامًا)؛ بضمان تناظر المباني في المسقط (أي توزيع الكتلة والنظام الإنشائيّ المقاوم للحمولات الجانبيّة، بانتظام). إذا تعذّر تجنّب هذا الالتواء، فيجب إجراء حسابات خاصّة لقوى القصّ الإضافيّة عند تصميم المباني. ولكن بالتأكيد، سيكون أداء المباني ذات الالتواءات سيّئًا أثناء الاهتزاز القويّ للزلزال. [2]

تتعرّض العناصر الشاقوليّة (الأعمدة والجدران الحاملة) التي تتحرّك أفقيًّا بمقدار أكبر؛ لضرر أكبر.

المصادر
[1] How Architectural Features affect Buildings during Earthquakes?
[2] How Buildings twist during Earthquakes?

ما هو الأردوينو Arduino وما هي تطبيقاته؟

الرّوبوت المتنقّل (mobile robot) هو روبوت قادر على الحركة إمّا على أرجل في محاكاة ميكانيكيّة لحركة المفصليّات أو على عجلات مثل السّيّارات. ويتكوّن الروبوت المتنقل من وحدة تحكّم ومستشعرات ومشغّلات تختلف حسب وظيفته. مثلاً، يحتاج روبوت تفادي الحواجز لحسّاس مسافة أمّا روبوت إطفاء الحرائق يحتاج لمستشعر حرارة.( [1] ويعد «المتحكّم-controller» أحد المكوّنات الرّئيسيّة للرّوبوت. والمتحكم عبارة عن حاسوب يتحكّم بحركة الرّوبوت بالإضافة إلى أنّه مسؤول عن منع تداخل الأوامر ولذلك يدعى بدماغ الرّوبوت. وهناك أنواع كثيرة من المتحكّمات مثل pic وRaspberry Pi وArduino وغيرها. وفي هذا المقال سنتكلم عن متحكّم الأردوينو Arduino وذلك لسهولة استخدامه بالنّسبة للمبتدئين. [2]فما هو الأردوينو وما هي تطبيقاته ؟

ما هو الأردوينو؟

ابتكرت لوحة الأردوينو Arduino ليستخدمها طلّاب الإلكترونيّات في مشاريعهم. حيث تتوفّر هذه اللوحة كمصدر مفتوح يساعد المستخدم على بناء مشاريعه وأدواته وفقًا لاحتياجاته. إذ تستطيع قراءة أي إدخال (مثل ضوء على جهاز استشعار ، أو ضغطة على زر، أو رسالة Twitter) وتحويله إلى المخرج الذي نريده (مثلًا تنشيط المحرّك، أو تشغيل مؤشّرLED، أو نشر شيء ما عبر الإنترنت). وتستخدم لوحة الأردوينو في آلاف االمشاريع بدءاً من المهام اليوميّة والتّطبيقات البسيطة إلى المشاريع العلميّة المعقّدة.[3]

ممَّ يتكوّن الأردوينو؟

تغيّر تصميم لوحة الأردوينو Arduino على مرّ السّنين، ويختلف كل نوع عن الآخر. لكن بشكل أساسي يوجد على كل لوحة التالي:
• عدد من الأطراف التي تُستخدم للاتّصال بمكوّنات مختلفة قد ترغب في استخدامها مع اللّوحة، ويوجد أنواع لهذه الأطراف:

الأطراف الرّقميّة: يمكنها قراءة وكتابة حالة واحدة، تعمل أو لا تعمل.
الأطراف التّشابهيّة: يمكنها قراءة مجموعة من القيم، وهي توفّر تحكم أكثر دقة.
طرف منبع التّغذية: يوفّر الطاقة للّوحة نفسها. كما يوفّر جهدًا منخفضًا يمكّنها من تشغيل المكوّنات المتّصلة بها مثل مؤشّرات LED وأجهزة الاستشعار المختلفة بشرط أن تكون متطلبات الطاقة الخاصة بها منخفضة. ويمكن توصيل هذا الطرف إما بمحول تيار متردّد أو بطّارية صغيرة.

• متحكم دقيق وهو الشريحة الأساسيّة التي تسمح ببرمجة لوحة الأردوينو حتى تتمكّن من تنفيذ الأوامر واتّخاذ القرارات. ويختلف المتحكم اعتمادًا على نوع الأردوينو، لكن عمومًا تستخدم وحدات تحكم Atmel ولها عدة أنواع، والاختلافات بينها طفيفة. الاختلاف الأكبر الذي سيلاحظه المستخدم المبتدئ هو اختلاف مساحة الذّاكرة المدمجة.

• منفذ USB يتيح الاتّصال بين اللوحة والحاسوب، وكذلك تحميل برامج جديدة على الجهاز. وفي كثير من الأحيان يمكن أيضًا تشغيل الأردوينو من خلال منفذ USB مما يلغي الحاجة إلى منبع طاقة منفصل. [4]

أنواع لوحات الأردوينو

هناك أنواع مختلفة من لوحات الأردوينو الموجودة في الأسواق، وتشمل:
Arduino UNO وArduino NANO وRed Board وLilyPad Arduino وArduino Mega وArduino Leonardo. وتختلف هذه الأنواع في المواصفات والميزات والاستخدامات. كما تستخدم في أنواع مختلفة من المشاريع الإلكترونيّة. [5]

مميّزات الأردوينو

التكلفة المنخفضة: يمتاز الأردوينو بأنه منخفض التكلفة مقارنة بالمتحكّمات الأخرى.
سهولة الاستخدام: يستطيع أي شخص البدء في تعلم برمجة الأردوينو واستخدامه في تصميم المشاريع بدءاً من الأطفال والمبتدئين والهواة وصولاً إلى المصنّعين والمصمّمين.
مفتوحة المصدر(Open Source): بمعنى أنه يمكن الحصول على المخطّطات والرسم الهندسي لدارة الأردوينو ويسمح بتطويرها والتعديل عليها.

يحدّث المصنّعون اللوحة ويطوّرونها باستمرار، من خلال تصنيع لوحات أردوينو جديدة لها إمكانيات وامتيازات مختلفة. [3]

تطبيقات الأردوينو

تطبيقات بسيطة: يمكن استخدام الأردوينو في التّحكم في مهام بسيطة مثل التحكم بإنارة مصباح وبرمجة الاردوينو لتشغيل وإطفاء المصباح وفقًا لمدة زمنية محددة. وتعتبر المشاريع البسيطة في غاية الأهمية لأنها تجعل المتعلّم قادراً على تطبيق الأفكار البسيطة لبناء مشاريع كبيرة.
بناء الأجهزة: يعتبر الأردوينو متحكّم إلكتروني يستطيع التّعامل مع العديد من الإشارات الكهربائيّة فهو سهل الاستخدام. ويمكن استخدامه في بناء أجهزة مختلفة باستخدام الحسّاسات والمحرّكات الكهربائية.
التحكم عن بعد: يتميز الأردوينو بدعمه للعديد من أنواع وحدات التحكم عن بعد مثل البلوتوث والاتصال اللاسلكي (Wireless) وغيرها.
صناعة الروبوتات: كانت عملية صناعة الرّوبوتات مكلفة ومعقّدة سابقاً. ولكن مع تطوّر العلم وظهور لوحات الأردوينو أصبحت صناعة الروبوتات أكثر سهولة. حيث بدأ الهواة في بناء روبوتات متحرّكة. واستطاع المهندسون دمج تقنيات متقدّمة مثل تقنية GPS وتقنيات الذكاء الصنعي .
الطب: يوجد العديد من الاستخدامات للأردوينو في المجالات الطبية ويرجع ذلك إلى أهمية انتشار الحسّاسات الطبية مثل حساس قياس درجة الحرارة والرطوبة وحساس قراءة نبضات القلب وحساس قراءة إشارات الدماغ EEG.

وفي وقتنا الحالي يمكن استخدام الأردوينو للتحكم بأي مشروع إلكتروني تقريبًا، بدءًا من المشاريع الإلكترونية البسيطة وصولاً إلى الروبوتات المعقدة.

المصادر

قوى العطالة وأثر الزلازل في المنشآت

عندما تنطلق الحافلة فجأةً، تتحرّك قدماك معها، لكنّ الجزء العلويّ من جسمك يميل للبقاء في موضعه الأصليّ -أي في موضعه قبل الانطلاق- ممّا يجعلك تسقط للوراء. تُعرَف هذه النزعة للاستمرار في البقاء في الوضع السابق بـ«العطالة أو القصور الذاتيّ-Inertia». إنّ ذلك الموقف الذي تواجهه في الحافلة يشبه كثيرًا ما تتعرّض له المنشآت عند حدوث الزلازل. فما هي قوى العطالة الزلزاليّة وأثر الزلازل في المنشآت؟

قوى العطالة في المنشآت

يسبّب الزلزال اهتزاز الأرض، فتتعرّض المنشآت لحركة في أساساتها. ومن القانون الأوّل لنيوتن في الحركة، يميل «سقف-Roof» المُنشأة للبقاء في موضعه الأصليّ، على الرغم من أنّ أساساته تتحرّك مع الأرض. ولكن بما أنّ الجدران والأعمدة متّصلة بالسقف، فإنّها تسحبه معها عندما تتحرّك. ونظرًا لكونها «مرنة-Flexible»، فإنّ حركة السقف تختلف عن حركة الأرض.

بالعودة إلى مثال وقوفك في الحافلة؛ عندما تنطلق الحافلة فجأةً، فإنّك تُدفَع للوراء. كما لو أنّ أحدًا طبّق قوّة على الجزء العلويّ من جسمك. وبالمِثل، عندما تتحرّك الأرض، يُدفَع المبنى للوراء، ويخضع السقف لقوّة تُسمّى قوّة العطالة.

إذا كان للسقف «الكتلة-(m) Mass» وتعرّض لـ«تسارع-(a) Acceleration»، تكون قوّة العطالة F_I المؤثّرة فيه مساوية لحاصل ضرب الكتلة في التسارع؛ وذلك وفق القانون الثاني لنيوتن في الحركة. ويكون اتّجاه تلك القوة معاكسًا لاتّجاه التسارع.

من الواضح أنّ الزيادة في الكتلة تعني زيادةً في قوّة العطالة. ولذلك، تتحمّل الأبنيةُ الأخفّ اهتزازَ الزلازل بشكل أفضل.

تأثير العطالة في مبنىً عندما تهتزّ قاعدته

قوّة العطالة والحركة النسبيّة خلال المبنى

تأثير التشوّهات في المنشآت

تنتقل قوى العطالة المؤثّرة في السقف إلى الأرض عبر الأعمدة، ممّا يسبّب تولّد قوىً داخليّةً فيها. تخضع الأعمدة أثناء الزلزال لـ«حركة نسبيّة-Relative Movement» بين نهاياتها، وهي الانتقال u بين السقف والأرض. ولكنّها قد تُظهِر نزعةً للعودة إلى وضعها الرأسيّ المستقيم؛ أي أنّها تقاوم «التشوّهات-Deformations».

لا تحمل الأعمدة قوىً زلزاليّة أفقيّة في الوضع الرأسيّ المستقيم. ولكن عندما تُجبَر على الانحناء، فإنّها تطوّر «قوى داخليّة-Internal Forces». وتزداد هذه القوى الداخليّة بزيادة «الإزاحة-Displacement» الأفقيّة النسبيّة u بين نهايَتَي العمود. كما تزداد بزيادة صلابة العمود (أي كلما زاد حجمه). ولذلك، تسمّى هذه القوى بـ«قوى الصلابة-Stiffness Forces»، وهي تساوي حاصل ضرب صلابة العمود في الإزاحة النسبيّة بين نهايتَيه u.

الاهتزاز الأفقيّ والرأسيّ

يسبّب الزلزال اهتزازًا أرضيًا في الاتّجاهات الثلاثة (X,Y,Z) عشوائيًّا ذهابًا وإيابًا. تُصمّم كلّ المنشآت بشكلٍ أساسيّ لتحمل «حمولات الجاذبيّة-Gravity Loads». أي أنّها مُصمّمَة لتحمل قوّة مساوية للكتلة m (وتتضمّن: كتلة البناء ذاته، بالإضافة إلى كتلة الحمولات المفروضة عليه كالسكّان والأثاث وغيرها) مضروبةً في تسارع الجاذبيّة الأرضيّة g. إنّ التسارع الرأسيّ أثناء اهتزاز الأرض، إمّا أن يزيد من تسارع الجاذبيّة الأرضيّة أو يُنقِصَه. وبسبب استخدام عوامل الأمان في تصميم المنشآت لمقاومة حمولات الجاذبيّة (الحمولات الشاقوليّة)، تكون معظم المنشآت مناسِبةً لمقاومة الاهتزاز الرأسيّ. لكنّها -بشكلٍ عامّ- قد لا تكون قادرةً على تحمّل تأثيرات الاهتزازات الزلزاليّة الأفقيّة بأمان. لذلك، من الضروريّ ضمان كفاية المنشآت ضدّ التأثيرات الأفقيّة.

تدفّق قوى العطالة إلى أساسات المُنشأ

تتولّد قوى العطالة الأفقيّة في مستوى كتلة المُنشأة (تتوضّع هذه الكتلة عادةً عند مستويات أرضيّات الطوابق). تُنقَل قوى العطالة الجانبيّة بواسطة «بلاطة-Slab» الطابق إلى الجدران (إذ قد تكون الجدران مبنيّة من الخرسانة المسلّحة) أو الأعمدة، ثمّ إلى «الأساسات-Foundations»، وأخيرًا إلى «نظام التربة-Soil System» الذي يتموضع المبنى فوقه. ولذلك، يجب تصميم كلٍّ من هذه «العناصر الإنشائيّة-Structural Elements» و«الوصلات-Connections» بينها؛ بطريقة تساعد على نقل قوى العطالة عبرها بأمان.

تُعَدّ الجدران أو الأعمدة أهمّ العناصر في نقل قوى العطالة. ولكن في البناء التقليديّ، تلقى البلاطات و«الجيزان أو العوارض-Beams» اهتمامًا أكثر من الأعمدة والجدران أثناء التصميم والتشييد. هذا ما يؤدّي إلى نتائج كارثيّة عند حدوث زلزال، فالجدران عناصر رقيقة نسبيًّا، وضعيفة في مقاومة قوى العطالة الزلزاليّة الأفقيّة وفق اتّجاهها العرضيّ (أي وفق اتّجاه سماكتها). كما أنّ «الأعمدة الخرسانيّة المسلّحة-Reinforced Concrete Columns» المُصمّمَة والمبنيّة بشكلٍ سيّئ تكون خطيرةً جدًّا.

تدفّق قوى العطالة الزلزاليّة عبر كلّ المكوّنات الإنشائيّة

المصدر

Nicee.org: What are the Seismic Effects on Structures?

ما هي هندسة النسيج الحيوي وما تطبيقاتها؟

هذه المقالة هي الجزء 2 من 8 في سلسلة دليلك لفهم أساسيات الهندسة الطبية

ما هي هندسة النسيج الحيوي؟

تعد هندسة النسيج الحيوي أحد أهم فروع الهندسة الطبية. تستخدم هندسة النسيج الحيوي مجموعة طرق من العلوم الهندسية والخلايا الحية بالإضافة إلى علم المواد الحيوية وعلوم الكيمياء بهدف إنتاج أنسجة جديدة مشابهة للأنسجة التالفة لاستبدالها.

تعد قدرة الجسم على تجديد الأنسجة التالفة ضعيفة، ومن الممكن أن يحدث تلف أو فقدان أنسجة بسبب الأمراض أو الحوادث. في حال لم يتم إصلاح أو إزالة النسيج المتضرر، قد يمتد التلف إلى أنسجة أخرى، مما يؤدي إلى تفاقم الحالة. من هنا، جاءت أهمية هندسة النسيج الحيوي والتي تقوم على استخدام المواد الحيوية والخلايا الحية لإنتاج أنسجة وظيفية جديدة لإصلاح أو استبدال الأعضاء البشرية التالفة.

ما هو الهدف من الهندسة النسيجية الحيوية؟

تستخدم هندسة النسيج الحيوي بشكل رئيسي لإنتاج وتطوير نسج جديدة تستخدم لإصلاح أو استبدال النسج التالفة مثل أنسجة الغضاريف، وأنسجة القلب مثل الصمامات القلبية، وأنسجة البنكرياس المنتجة للأنسولين، والأنسجة الوعائية مثل الأوعية الدموية. وتستخدم أيضا لأغراض بحثية، يمكن الاستفادة منها لدراسة سلوك خلايا معينة. كما يمكن استخدامها لخلق بيئة نسيجية محاكية للجسم البشري لاختبار تأثير الأدوية عليها.

كيف تعمل هندسة النسيج الحيوي؟

الهدف من عملية هندسة النسج هو إنتاج نسيج ثلاثي الأبعاد. من أجل ذلك يتم أولًا زرع الخلايا والجزيئات الحيوية على هياكل تدعى بالسقالات.

السقالات هي عبارة عن هياكل أو قوالب تشبه شكل النسيج الذي نريد إنتاجه، وهي نوعان, النوع الأول هو سقالات حيوية مصنوعة من جزء حقيقي من الجسم لكنه معالج كيميائيًا. والنوع الثاني صناعية وتكون مصنوعة من مواد خاصة متوافقة حيويًا ولا تسبب رفض مناعي كبير داخل الجسم الحي.

ينمو النسيج ضمن هذه السقالات وفي ظروف ملائمة، بحيث يأخذ نفس شكلها عند انتهاء النمو وبالتالي نحصل على النسيج المطلوب.[1]

ما هو نوع الخلايا المستخدم في هندسة النسيج الحيوي؟ وما هي الجزيئات الحيوية؟

تستخدم الخلايا الجذعية، وهي خلايا غير متمايزة، يمكنها التكاثر والتمايز إلى أي نوع من الخلايا كالخلايا العضلية أو العصبية، كما أن لها القدرة على التكاثر والتجدد باستمرار. لهذه الخلايا نوعان:

الخلايا الجذعية الجنينية: وتوجد في بطانة المشيمة للجنين، وتتصف بالقدرة العالية على التكاثر والتمايز إلى أي نوع من الخلايا عدا خلايا المشيمة والأغشية المحيطة بالجنين.
الخلايا الجذعية الناضجة: وتوجد في عدة مناطق من جسم الإنسان، وظيفتها تعويض الخلايا التالفة بشكل طبيعي بعد انتهاء العمر المحدد لها.[1]

بعد معالجة الخلايا وزرعها ضمن السقالات، يجب إضافة مواد خاصة لتحفيز الخلية على أداء وظائفها بشكل طبيعي كالانقسام وأخذ الأغذية من الوسط المغذي الخاص. وتسمى هذه المواد المضافة بالجزئيات الحيوية أو الحبر الحيوي.[3]

ما هي أهم تطبيقات هندسة النسج الحيوية؟

قام باحثون في «المعهد الوطني للهندسة الطبية والحيوية – NIBIB» بالعديد من التجارب والأبحاث ضمن هذا المجال، وأهمها:

التحكم في الخلايا الجذعية من خلال البيئة المحيطة:

تم في هذه التجربة وضع الخلايا الجذعية ضمن بيئات فراغية مختلفة، وقد تبين اختلاف نوع الخلايا التي تحولت لها الخلايا الجذعية باختلاف المكان الذي وضعت فيه. أي أنه تم اكتشاف طريقة ميكانيكية-حيوية لتحديد تمايز الخلايا.

زراعة كبد إنسان في أجسام الفئران:

قام باحثون بتطوير أنسجة كبد بشرية يمكن زراعتها في أجسام الفئران، بحيث يحافظ فأر التجارب على كبده الطبيعي. وبما أن الكبد الجديد يستطيع استقلاب الأدوية بشكل مماثل لكبد الإنسان، يمكن الاستفادة منه لاختبار الأدوية وكيفية استقلابها على الكبد البشري المزروع قبل توجيهها للبشر.

صناعة وسط خاص للإبقاء على النسيج أثناء تطويره:

وجد الباحثون أن النسيج في أطواره الأولى لا يستطيع أخذ الغذاء من الشعيرات الدموية بسبب قلة سماكة وبالتالي يتلف النسيج بسبب انعدام التغذية، لذلك يجب أن يوضع النسيج في مراحله الأولى ضمن مادة هلامية مغذيّة طول فترة النمو في المختبر، وهذه المادة تختلف باختلاف نوع النسيج الذي نريد تطويره.[2]

المصادر:

[1]-Very Well Health
[2]-National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering
[3]-Massachusetts Institute of Technolog

ما هي الهندسة الطبية؟ وما هي فروعها؟

هذه المقالة هي الجزء 1 من 8 في سلسلة دليلك لفهم أساسيات الهندسة الطبية

ما هي الهندسة الطبية؟

هي تطبيق مبادئ حل المشاكل والتقنيات الهندسية ضمن المجال الطبي بشكل عام وعلى جسم الإنسان بشكل خاص. وقد برزت بشكل أكبر بعد ظهور الحاجة إلى زرع أجهزة إلكترونية في الجسم مثل «الناظمات القلبية – Pacemakers» وزراعة «الأطراف الصناعية – Artificial Limbs ». واستمرت الهندسة الطبية في التطور حتى ضمت عدة مجالات إضافية مثل هندسة النسج والطباعة ثلاثية الأبعاد للأعضاء البديلة.[1]

كيف تختلف الهندسة الطبية عن غيرها من الاختصاصات الهندسية؟

الاختلاف الأساسي هو أن الهندسة الطبية تستهدف صحة الإنسان بشكل مباشر. يدمج هذا الاختصاص المعارف المختلفة من الهندسة الميكانيكية، والإلكترونية، والكهربائية، وعلوم الحاسوب، وعلم الأحياء والطب ليكوّن علم قائم بحد ذاته يخدم المجال الطبي ويمنحه حلول إضافية وفعّالة.

ما هو عمل المهندسين الطبيين؟

ينقسم عمل المهندسين الطبيين إلى أكثر من مجال وتخصص، من أهمها:

تصميم وتطوير الأجهزة البديلة مثل الناظمات القلبية، والكلى الصناعية، والقلب الصناعي، والأطراف الصناعية، والأوعية الدموية الصناعية وغيرها الكثير.
برمجة أجهزة مراقبة المرضى في المستشفيات و تطويرها.
برمجة وتطوير أنظمة التصوير الطبي «الطبقي المحوري – CT»، و«التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني – PET »، و«الرنين المغناطيسي – MRI» والتصوير بالأمواج فوق الصوتية.
إجراء الأبحاث العلمية والتطويرية في مجال المواد الطبية الحيوية ومحاولة اكتشاف خلطات جديدة.
إجراء الأبحاث العلمية في مجال الميكانيكا الحيوية.
صيانة الأجهزة الطبية، ويعد مجالًا واسعًا بسبب التنوع الكبير في الأجهزة الطبية وخصوصية كل جهاز، فقد نجد اختصاصات مختلفة ضمن مجال الصيانة. [2]

ما هي المؤهلات اللازمة لدراسة هذا المجال؟

يجب أن يكون الشخص الراغب بدراسة هذا المجال ملمًّأ بمبادئ الفيزياء، والكيمياء، وعلوم الأحياء، والميكانيكا، والرياضيات والتشريح. ومن الممكن أن يعمل ضمن هذا المجال المهندسين الحاصلين على شهادات أخرى مثل الهندسة الكهربائية بعد أن يخضعوا لدورة تدريبية تعزز الجانب الطبي لهم بالإضافة إلى خبرتهم الأساسية بالجانب التقني والإلكتروني.[3]

ما هي تصنيفات الأجهزة التي يتعامل معها المهندس الطبي؟

تتصف الأجهزة الطبية بالتنوع الكبير، ولكن يمكن تصنيفها ضمن مجموعات كما يلي:

الأجهزة التعويضية الجزئية أو الكلية، وتتمثل في الأطراف الصناعية، سواء للقدمين أو لليدين، أو أجهزة تصحيح التشوهات الخلقية للأطراف.

التجهيزات الخاصة بالمستشفيات والمراكز العلاجية: وتتمثل في الأسرّة، وتجهيزات الغرف بأنواعها وأيضًا تمديدات شبكة الغازات الخاصة بالمستشفى.
أجهزة التشخيص والمراقبة: وأمثلة على هذا النوع: السماعة الطبية، وعتاد إضاءة غرف العمليات، وجهاز قياس ضغط الدم وضغط قاع العين وضغط التنفس، ومقاييس نسب السكر في الدم.

أجهزة التصوير: مثل التصوير المقطعي، والمسحي والإلكتروني، وأجهزة رسم تخطيط القلب وأجهزة رسم تخطيط الدماغ.

المجاهر: وتُعد من أبرز أجهزة الهندسة الطبية الحيوية المُستخدمة في المخابر ومراكز الأبحاث، وهناك الكثير من الأنواع، ومنها: المجاهر الضوئية، والإلكترونية، وأجهزة التحليل الطيفي.[3]

المصادر

[1]-Michigan Tech
[2]-Marquette University
[3]-Drexel University

ما هي المواد الذكية؟

تخيل معي السيناريو الآتي: شاشة هاتف تعيد بناء نفسها حينما تتهشم. عقاقير تبقى حائمة بمجرى الدم كأنها جزء لا يتجزأ من مكوناته الأساسية؛ لتتخذ شكلاً دفاعيًا حين تهاجم أجسام غريبة الجسم. أجنحة طائرة حركتها شبيهة بحركة وديناميكية أجنحة العصفور.

كل السيناريوهات السابقة ليست مستحيلة ولم تعد كذلك، بل من المحتمل رؤيتها قريبًا خلال ٥ إلى ١٠ سنوات أو أقل! لكن ما الذي يجعل من كل تلك الخصائص التي تكاد تحاكي مشاهد فيلم《خيال علمي》 ممكنة في التقنية الحديثة؟

سؤال سنجيب عليه بكلمة واحدة: «المواد -Materials» أو بأكثر دقّة: «المواد الذكية-The Smart Materials».

المواد و الحضارة:

بدايةً، كانت المواد بشكلٍ عام الأساس لكل التطور الذي تشهده البشرية منذ فجر التاريخ حتى يومنا هذا. إذ يكفينا الإشارة إلى أن معظم العصور التاريخية سميت بأسماء المواد التي اكتشفت في وقتها، واستخدمت في رفد مسيرة الحضارة من كل جانب؛ كالعصر الحجري، والبرونزي، والحديدي، لنصل إلى ما يسمى بالعصر الحديث أو ما يسمى بعصر «المواد المصنعة -The Synthesis Materials» التي لعبت الدور الأهم والأصلي في تفجر عصر “الثورة الصناعية الكبرى”.

مما أدت تواليًا للتكنولوجيا المعاصرة أو ما يلقب بامتياز عصر “المواد الذكية”. نشهد اليوم زخمًا وتسارعًا منقطع النظير في التقنية والفنيات الحديثة لا يمكن أن يُحقق إلا بوجود مواد معينة سمحت ببزوغ تلك القدرات الخارقة التي تدفع تكنولوجياتنا نحو الأمام.[1]

تاريخ المواد الذكية:

المواد الذكية هي عبارة عن مواد معدّلة لديها القدرة على تغيير خصائصها تبعًا لتأثير معين تخضع له. المؤثر الخارجي الذي يسلط عليها قد يكون تيارً كهربائيًا، أو مجالاً مغناطيسيًا، أو حرارة، أو إشعاعًا نوويًا.
إنّ عدنا بالوقت لنعرف متى اكتُشفت هذه المواد الذكية فسنرى بأن اكتشافها أتى بوقتٍ قريب إلى حد ما. إذ يعود هذا التاريخ تحديدًا إلى القرن ١٩ على يد الإخوة “كوري”، اللذان اكتشفا أن عدة مواد كالكوارتز، تنتج طاقة كهربائية عند تعرضها لضغط ميكانيكي. وبالمثل بعد عدة سنوات تم اكتشاف بأن هذه المواد تحمل خصائص إزدواجية، بحيث يجعلها التعرض للتيار الكهربائي تتشكل بطريقة معينة. إلا أنَّ التاريخ يخبرنا أن الحضارات القديمة استخدمت هذه المواد ربما دون دراية كبيرة بما تحمله من خصائص وإمكانيات. من المحتمل أن يكون الأمر على سبيل المصادفة. [1-2]

تصنيفات المواد الذكية:

التقسيمات المتعارفة على المواد الذكية والتي توجد لدينا في الوقت الحالي هي كالآتي:

«المواد الكهروضغطية – The Piezoelectric Materials»: هي عبارة عن مواد معدلة لتعطي استجابة ميكانيكة عند تسليط تيار كهربائي عليها أو حرارة، وعكسيًا يمكنها أن تولّد تياراً كهربائيًا عند تعرضها لأي إجهاد أو انفعال ميكانيكي. خصائصها الإزدواجية تجعلها مرشح جيد لاستخدامها كحساسات «Sensors» ومشغلات ميكانيكية «Actuators». أبرز هذه المواد الكوارتز، و ملح روشيل، و فوسفات الألومنيوم.
«مواد ذاكرة الشكل – Shape Memory Materials»: هي عبارة عن مواد معدلة تغير من شكلها حين يسلط عليها مؤثر خارجي، لتعود إلى حالتها الأصلية عند تسليط حرارة عليها. أبرز هذه المواد هي سبائك ذاكرة الشكل، وبوليمرات ذاكرة الشكل.
«المواد الكهرولونية – Electrochromic Materials»: وهي مواد يتغير لونها حين تعرضها لشحنة كهربائية. هذه المواد تدخل بشكل كبير في صناعة البصريات مثل أكاسيد الفلزات الانتقالية، أبرزها أكسيد الفانديوم الخماسي.
«المواد ذات الحساسية الضوئية – Photochromic Materials»: وهي عبارة عن مواد لديها حساسية عالية للضوء تخضعها لتغيير حالتها حين تعرضها له. ومن أبرزها مواد الألياف الضوئية، وهناك أنواع تمتص الضوء لتعيد توجيهه بتركيز أعلى.
«المواد الكهرومغناطيسية – Electromagnetic Materials»: وهي عبارة عن مواد معدلة صناعيًا لتستجيب جزيئاتها بشكل مختلف حين تعرضها للمجال المغناطيسي. تستخدم هذه المواد في المجالات الإنشائية، والحربية خصوصًا في عملية التدريع كالفولاذ الكربوني.[4-1]

مجالات استخدامها الحالية:

يتراوح استخدام المواد الذكية بين عدة مجالات كالهندسة الإنشائية والمدنية، و الفضاء، و التقنيات الحربية إلى الطب، مرورًا بصناعة الطائرات والمركبات الجوية.

مستقبل المواد الذكية:

إن نظرنا إلى جسم الطائرة التي نستخدمها في الوقت الحالي وإلى مجسم ليوناردو دافنشي للجسم الأمثل للطيران _بغض النظر عن رأي مصممي المركبات الجوية_ سنلاحظ الاختلاف الواسع ما بين النموذجين، بحيث ما يجعل من نموذج دافنشي صعب تحقيقه هي المواد. يمكنك أن تتخيل الآن كم الاختلاف الذي يمكن أن تحدثه المواد الذكية في المستقبل في عالم المركبات وغيرها الكثير من التطبيقات المختلفة في شتى المجالات.

بالرغم من تعدد المجالات التي تستخدم المواد الحديثة حاليًا، إلا أن استخدامنا لها يظل محدودًا للغاية مقارنة بالخصائص التي يمكن أن تمدنا بها، والأسباب تعود إلى تكلفة تصنيعها العالية، والقفزة في مجال النانوتكنولوجي الذي سيسهل من صناعتها؛ حيث لا يزال قيد دراسات واسعة لتطبيق نظرياته على مستوى تجاري واقتصادي كبير. إلا أن الأمر ليس بعيد المدى ربما سيأخذ أقل من ١٠ سنوات لتصبح المواد الذكية قيد الاستخدام غير المحدود سواء بالكميات أو الخصائص وحينها سنشهد قفزة أكبر لم نشهدها من قبل في المحفل التقني.[4]

فكما قلنا بدايةً الحضارة هي المواد والطاقة، والمواد والطاقة هما الحضارة. متى ما تجاوزنا محدوديتهما سيتحقق الكثير مما ظنناه خيالًا، أو ربما ما سنصل إليه هو أبعد من الخيال نفسه.

المصادر:
[1] Smart Structures Theory
[2] minervaconservation
[3]Introduction, Classification and Applications of Smart Materials
[4] Scope of Smart Materials in Future

تاريخ ناطحات السحاب: كيف ظهرت شواهد المدن الحديثة؟

تعتبر ناطحات السحاب اليوم واجهات المدن الحديثة والعمران الإنساني. إذ تأسر الأنظار بارتفاعاتها الشاهقة وأضوائها الباهرة. لكن هذا النوع من البناء يعتبر حديثًا جدًا، واحتاج إلى العديد من التطورات والاختراعات ليتمكن من الانتشار كما هو الآن.

البناء الرأسي في التاريخ

كان العمران على مدار التاريخ محكومًا بالتقنيات المتوفرة والمواد المتاحة جغرافيًا، كما أن الحاجات الاجتماعية والاقتصادية والمعيشية كانت تلعب دورًا مهمًا في البناء والتخطيط. ولذلك لم يكن هناك حاجة كبيرة تاريخيًا للبناء بشكلٍ رأسي نحو الأعلى، إلا في حالات نادرة محكومة أيضًا بالقدرات التقنية والإدارية والموارد المتاحة لدى المجتمعات.

تعود أوائل المنشآت البشرية الرأسية لحقب ما قبل التاريخ وكانت تستعمل كشواهد على طرق الهجرة والرعي وكانت عبارة عن أحجار طويلة يتم رفعها. ومع نشوء المدن في التاريخ وظهور الديانات المنظمة والامبراطوريات بدأت المباني الشاهقة كالمعابد والقصور في الظهور في الحضارات الكبيرة. لعل أبرز الأمثلة على هذا هي أهرامات بلاد الرافدين المدرجة أو أهرامات الجيزة بمصر. ظل الهرم الأكبر في مصر أعلى مباني العالم ارتفاعًا لآلاف السنوات، بارتفاع يقترب من الـ147 مترًا شاهدًا على قدرة المصريين القدماء الهندسية والإدارية.

في الصين وشرق آسيا ظهرت الباغودا «Pagoda» كنمط معماري متعدد الطوابق يستعمل عادة للطقوس الدينية، لكنها كانت في العادة مبنية من الخشب أو الحجارة والطوب. وبحلول القرن السابع الميلادي كان هناك انتشار لباغودات حديدية لكنها كانت مكلفة ناهيك عن صعوبة تصنيع الحديد بجودة عالية في تلك الفترة. كما أن استعمالها لم يتغير كثيرًا كما لم يتغير تخطيطها الداخلي أيضًا.

الشرق والغرب: المآذن والهندسة الإسلامية

في الحضارة الإسلامية تعدّ المئذنة أكثر الأنماط المعمارية شهرة، وقد تعددت أشكالها حسب النطاق الجغرافي الذي وجدت فيه. بشكلٍ عام لم تظهر المئذنة كمكوّن رئيس في المساجد سوى في العهد الأموي وبعد انتقال الإسلام إلى الحضارات المفتوحة واختلاطه بها. وقد استعار المسلمون العديد من تقينات ومعارف البناء وطوروها. فنجد على سبيل المثال أن المآذن في العراق قديمًا تشبه إلى حدٍ ما الأهرامات المدرجة. مع الوقت طوّر المسلمون وسائل هندسية مثل القباب والأقواس والأعمدة التي ساعدتهم على بناء منشآت أعلى، والتي نراها في المساجد القديمة كالسلطان أحمد في اسطنبول أو الحمراء بغرناطة.

لكن هذا التبادل المعرفي العمراني سار أيضًا في الاتجاه المعاكس، فحسب الكاتبة والمؤرخة المعمارية «ديانا دارك»، فإن النمط المعماري الأوروبي المعروف بالنمط القوطي «Gothic» متأثر بشكل مباشر بالعمارة والهندسة الإسلامية . بل إن بعض المهندسين والمعماريين قبالة عصر النهضة قد تلقوا معرفة معمارية وهندسية من المسلمين واستعملوها لتطوير المعرفة البنائية لديهم، مثل المعماري الشهير «برونيلسكي» في تصميمه وبناءه لكاتدرائية فلورنسا.[1]

مساجد السليمانية للمعماري العثماني معمار سنان، وتظهر المعرفة الهندسية باستعمال القباب والأقواس للبناء عاليًا.

أبراج خشبية، وشواهد حديدية

في القرن الرابع عشر بدأت أبراج الكنائس في أوروبا بتعدي ارتفاع الهرم الأكبر. كاتدرائية لنكولن في انجلترا قد تكون وصلت إلى ارتفاع 160 مترًا عام 1311، ولكن برجها الخشبي انهار أثناء عاصفة عنيفة في فترة حكم إدوارد السادس. وبعد انهياره ظل لقب أعلى منشآت العالم في حيازة أبراج كنائس أوروبية متعددة، مثل كنيسة القديسة ماري في ستراسبورغ، وانتهاءً بكاتدرائية كولون الالمانية التي انتهى العمل عليها عام 1880، قبل أن تخسر لقب أعلى مبنى في العالم لنصب واشنطن في أمريكا.

رسم لكاتدرائية لنكولن بانجلترا قبل احتراق برجها الخشبي

كان برج ايفل (بارتفاع 300 متر) محطة فاصلة في تاريخ الإنشاءات وبالأخص إنشاءات ناطحات السحاب لاستعماله هيكلًا حديديًا يحمل وزنه. استخدام هيكل حديدي أو فولاذي لحمل أوزان وأحمال المبنى صفة هندسية مركزية لناطحات السحاب.

يعرّف بروفيسور الاقتصاد بجامعة هارفارد والمهتم بالاقتصاد الحضري «إدوارد غليزر» ناطحة السحاب بأنها “مبنى “طويل”، مكوّن من 10 طوابق على الأقل، ومزود بمصاعد وذو هيكلٍ معدني أو حديدي”. هذا التعريف يبيّن أن نشوء ناطحة السحاب اعتمد بشكلٍ أساسي على تقنيتين ناشئتين من القرن التاسع عشر: انتاج الحديد والصلب بجودة عالية، والمصاعد الآمنة.[2]

الحديد والصلب: مفتاح الإنشاءات المرتفعة

قبل الثورة الصناعية، كان انتاج الحديد والصلب مكلفًا وغير متساوٍ في الجودة. في الواقع، فإن أحد دوافع «جيمز واط» لتصنيع محركات البخار في مدينة برمنغهام بدلًا من موطنه في غلاسغو، هو جودة الحديد والصلب المنتج في المدينة والذي أنتجته مصانع «جون ولكنسون – John Wilkinson». كان لولكنسون أيضًا دور في بناء أول جسر حديدي في العالم عبر نهر السيفرن عام 1775.

في عام 1797 انتهى العمل على أول مبنىً ذي هيكلٍ حديدي في العالم، وهو مطحنة ديثرنغتون للكتان «Ditherington Flax Mill»، ورغم أنها لم تتجاوز الخمس طوابق إلا أنها تعتبر النواة الأولى لناطحات السحاب الحديثة.

نوافذ وتجارة!

الإطار الحديدي للمباني يعني أن وزن المبنى لا يُحمل بواسطة الجدران بل بواسطة الهيكل. تصبح الواجهة حينئذ شبه معلقة على هذا الهيكل. ولذلك، في حين احتاج إنشاء المباني تقليديًا إلى جدران بالغة السماكة او إلى دعامات، سمحت الهياكل الحديدة ببناء جدران أنحف أو حتى زجاجية. ولهذا السبب صارت المباني ذات الهياكل الحديدية مفضلة للأنشطة التي تحتاج إلى إضاءة جيدة.

أدرك «ألكساندر ستيورات – Alexander Turney Stewart» -أحد أنجح التجار ورواد الأعمال في نيويورك في القرن التاسع عشر-، أن عرض البضائع على نوافذ الأدوار الأرضية لمتاجره سيجذب المشاة الكثر في شوارع نيويورك إليها. وهكذا صمم “قصر الرخام” الخاص به عام 1848 بنوافذ كبيرة مطلة على الشوارع. بالطبع جعلت النوافذ الكبيرة الدور الأرضي ضعيفًا، لكن المبنى كان مستندًا على أعمدة حديدية لحمل وزنه.

قصر الرخام لرجل الأعمال أليكساندر ستوارت، أول مبنى يوظف نوافذ الطابق الأرضي لعرض البضائع

كان استعمال زجاج في المباني فتحًا هندسيًا إن جاز لنا التعبير، وكان من أوائل المنشآت التي استعملت الزجاج بوفرة هو قاعة لندن الكبرى للمعارض عام 1851، والتي صممها المهندس «جوزيف باكستون – Joseph Paxton». أنشئت هذه القاعة العملاقة بأكثر من 4000 طنٍ من الحديد وأكثر من 84 ألف مترٍ مربع من الزجاج، وتعتبر أحد أسلاف ناطحات السحاب الحديثة.

معرض لندن الكبير

المصاعد: كلمة السر لرواج المرتفعات

عام 1854، وقف «إليشا اوتيس – Elijah Otis» ليقدم عرضًا لزوار معرض نيويورك. لقد وقف على منصة مرتفعة وأمر بقطع الحبل الذي يمسكها، ليتوقف سقوطه مباشرة باستعمال آلية السلامة التي صممها بنفسها. ومنذ ذلك الحين سمحت مصاعد أوتيس بالحركة رأسيًا بشكل آمن، وبدأت الأبراج العالية في الظهور مستعملة تقنية المصاعد. ففي حين كانت الأدوار المرتفعة قديمًا غير محببة ورخيصة لمشقة صعود السلالم العالية، فقد جعلت المصاعد من الأدوار المرتفعة رفاهية ورفعت من قيمتها. ظهر أول برج يشغل المصاعد عام 1870، وهو برج «Equitable Life» بنيويورك. ورغم أنه لم يتعد السبع طوابق بارتفاع 40 مترًا، إلا أن استعماله للمصاعد ضمن نجاحه كمكان للعمل والسكن.

مبنى «Equitable Life» بمانهاتن بنيويورك، والذي هُدم عام 1912 بعد احتراقه.

من أول ناطحة سحاب حتى “مدينة ناطحات السحاب”

يصنّف العديد من المؤرخين مبنى «بيت التأمين – Home Insurance Building» كأول ناطحة سحاب. أقيمت الناطحة عام 1885 باستعمال هياكل حديدية مقاومة للحرائق وباستعمال الاسمنت المسلح، وقد صممها المهندس «ويليام لي بارون جيني – William Le Baron Jenney» والذي يعتبر الآن أبا ناطحات السحاب. ولكن بالطبع، وكما في أي نقاش تاريخي، فإن هناك الكثير من الجدل. فارتفاع مبنى بيت التأمين بالكاد يتعدى ارتفاع مبنى الحياة العادلة بـ3 أمتار، وإن كان يتكون من 10 طوابق بدلًا من 7. ولكن برج «مونتاوك”، والذي أنشئ قبل مبنى الحياة العادلة ببضع سنوات بتصميم المهندسين «دانييل برنهام» و «جون روت» كان أيضًا مكونًا من 10 طوابق.

الثنائي «برنهام» و «روت» قاما فيما بعد ببناء محفل شيكاغو الماسوني ذي الـ21 طابقًا، ولذلك قد يعتبرهم البعض الآباء الحقيقيين لناطحات السحاب. أو يمكن اعتبار المعماري «لوي سوليفان»، والذي اشتهر بفكره المعماري واستغلاله لطاقة الهياكل الحديدية وإمكانياتها.

محفل شيكاغو الماسوني، والذي كان أطول مباني شيكاغو حتى تم هدمه هو أيضًا عام 1939

في الواقع، عمل كلٌ من «سوليفان» و «برنهام» كمتدربين لدى «جيني»، واستعاروا جميعهم أفكارهم من بعض. يمكننا القول أن «جيني» كان الخطوة الجريئة الأولى التي بُنيت على انجازات عدة قبله، وأن متابعيه أكملوا ما بدأه ووصلوا به إلى أبعادٍ جديدة.

العمارة الحداثية: استغلال الناطحات لأقصى حد

لن تكون مبالغة إن وصفنا ناطحة السحاب بأنها ذروة سنام العمارة الحداثية، فقد استغلها المعماريون الحداثيون إلى أقصى طاقاتها. فـ«لوي سوليفان» نفسه في تصريحه الشهير “الشكل يتبع الوظيفة” قد ابتكر تصميم الطوابق بشكلٍ مختلف بناءً على وظائفها المختلفة، ما يسمح بمرونة وفعالية أكبر للمبنى ويسمح له بتعدد الاستخدامات. إلا أن النموذج الأكثر وضوحًا لاستغلال ناطحات السحاب هو بدون منازع رائد العمارة الحديثة الأول «لو كوربوزيه». لقد رأى لو كوربوزيه في ناطحات السحاب الحل الأمثل لمشاكل المدينة الحديثة الصناعية ومشاكلها السكنية، و كان من اوائل مشاريعه ذائعة الصيت هو وحدة السكن «Unité d’Habitation».

كان لو كوربوزيه أيضًا مغرمًا بالنظام، وكان قد أعلن أنه “إما العمارة وإما الثورة”، أي أن التخطيط المعماري الجيد الذي يتجاوب مع التحديات الجديدة هو ما يحول بين السلم وبين الثورة وانهيار المجتمع. وربما من هنا نشأ مخططه الذي قدمه لتطوير مدينة باريس والذي يلقب بـ”مدينة ناطحات السحاب”، والذي يعيد مَحوَرة المدينة حول ناطحات السحاب.

لم يكتب لمخطط لو كوربوزيه الثوري ذاك أن يرى النور. لكن الفكرة الكامنة وراءه انتشرت في مدن كثيرة حول العالم، ولاقت ناطحة السحاب رواجًا كبيرًا لفاعليتها وقدرتها على توظيف المساحة. وعلى الرغم من ذلك كان لانتشار نمط العمارة الحداثية أثار سلبية بالطبع، ولذلك فقد انتهت تقريبًا منذ السبعينات. وليست صدفة أن الحدث الذي اصطُلح على تسميته بـ”نهاية الحداثة” -كنمط معماري- كان هدم أبراج «برويت-آيغو»، والتي كانت عبارة عن مجموعة من الأبراج العالية المرتبة والتي عانت من مشاكل إدارية ومجتمعية بالإضافة إلى قصور في التخطيط.

أبراج إسكان برويت-آيغو، والتي تم هدمها في أوائل السبعينات بسبب مشاكل اقتصادية وإدارية ومجتمعية متعددة.

ناطحات السحاب: واجهات وتحديات المدينة الحديثة

لا تخطئ العين مشهد ناطحات السحاب في حواضر العالم الآن، سواءً انتقلنا من نيويورك إلى لندن أو من ضفاف النيل بالقاهرة إلى هونغ كونغ. ناطحات السحاب والأبراج نموذج لمحاولة المدن حل مشاكلها بطرق معاصرة، ولكنها بالطبع لا تأتي بدون تحديات خاصة بها.

الكثير من العواصم الاوروبية مثل روما وباريس تكاد تخلو من ناطحات السحاب وذلك لقوانينها العمرانية التي تحاول الحفاظ على نسيج المدينة التقليدي (أعلى برج في روما بالكاد يصل إلى 155 مترًا). الأمر نفسه مشاهد في مدن مثل لندن، ذات الوجود الملحوظ للأبراج العالية وناطحات السحاب. إذ أن الإدارات المحلية كثيرًا ما تعترض على إقامة الأبراج العالية حفاظًا على مشهد الأحياء وروحها التقليدية، كما حدث مع برج «22 بيشوبغيت» في لندن الذي اعترض الكثيرون عليه لتغييره مشهد أفق المدينة وحجبه كاتدرائية القديس بولس العريقة ونصب حريق لندن.[3] يشبه الأمر أيضًا الاعتراضات الموجهة نحو بناء الأبراج في مدن مقدسة كمكة. حيث يتحول مركز الانتباه والثقل في المدينة من المكان المقدس إلى الأبراج الاستهلاكية، ناهيك عن احتلالها المشهد العام مقابل الكعبة.[4] تنتشر ناطحات السحاب بالمقابل بشكل أكبر في المدن الجديدة نسبيًا (مثل نيويورك) او التي تحاول تحديث وتطوير نفسها بسرعة مثل ساو باولو.

مدينة ساو باولو، والتي تبدو كغابة من ناطات السحاب اللامتناهية

التطوير والإسكان: دور ناطحات السحاب اليوم

يتعلق هذا الأمر أيضًا بتطوير المدن واستبدال الأحياء القديمة بالأبراج، وهو نمط مشهور في تطوير المدن ومحاولة تجديد مراكزها. لكنه يواجه الكثير من الانتقادات بالنسبة لأولويات ورغبات سكان المناطق التي يتم تطويرها. حيث يتم نقلهم واستبدالهم باستثمارات أجنبية وتجارية ومساكن فارهة عوضًا عن توفير مساكن وخدمات كافية (وهو ما يسمى بالانجليزية Gentrification). هناك العديد من الآراء التي ترى أن هذا الطريقة في التطوير ترفع المستوى الاقتصادي للمدن وتحسن مستوى خدماتها ووضع سكانها المعيشي بالفعل.[5] إلا أنه يجب أخذ حاجات ورغبات السكان قيد الاعتبار أثناء وضع أي خطط لتطوير المدن. وذلك لتفادي مشاكل مثل عدم توافر الخدمات الكافية أو ارتفاع تكلفة المعيشة والسكن في مراكز المدن المطوّرة، ما يدفع أصحاب الدخل المحدود بالسكن بعيدًا عن مراكز العمل ليتمكنوا من توفير سكنٍ مناسب.[6]

كما أن ناطحات السحاب تمثل في كثير من الأحيان نموذجًا للضغوط الاقتصادية والحضرية والإدارية في المدن. فمثلًا، تقام في مدينة نيويورك الكثير من الأبراج التي ينتهي بها الحال (بسبب تعقيدات نظم التطوير الحضري والتمويل) كأبراج فارهة يشتريها الأغنياء كاستثمارات.[7] بالطبع، هذه المشكلة ليست خاصة بنيويورك وحدها بل هي منتشرة في الكثير من المدن عالميًا. فالأبراج السكنية توفر نمطًا من الإسكان عالي الكثافة «High-density Housing» والذي يمكن توفيره بجودة مناسبة وعلى مساحة أصغر داخل المدن عوضًا عن الضواحي البعيدة، ولذلك تلقى رواجًا في المدن التي تعاني من كثافة سكانية عالية (مثل هونغ كونغ أو سنغافورة) أو من أزمات إسكانية (مثل لندن). ولكن نموذج الاستثمار في العقارات والأنظمة الإدارية والاقتصادية كثيرًا ما تجعل هذه المشاريع غالية الثمن. ولذلك بدأت العديد من المدن والأحياء وشركات التطوير بابتكار نماذج تمويل وإسكان مخصص للأفراد والعوائل الصغيرة التي تشتري منزلًا للمرة الأولى فقط (مثل نظام الـملكية المشتركة «Shared Ownership»).[8]

التصور المقترح لناطحات نيويورك المطلة على الحديقة المركزية

كما هو واضح، فالعالم بما هو سائر في طريقه نحو التمدّن. وستكون ناطحات السحاب جزءًا من تكوين المدن لأسباب عدة، معيشية وعملية واقتصادية وسياسية. فهي توفر حلولًا للعديد من التحديات التي واجهتها المدن الصناعية وتوفر فرصًا للمدن المعاصرة. لكنها تأتي مع تحدياتها الخاصة أيضًا والتي تتداخل فيها العمارة بالاجتماع والسياسة والاقتصاد بل وحتى مع سيكولوجية البشر الاجتماعية. قصة ناطحات السحاب وتاريخها نموذج لتاريخ التطور التاريخي للبشر ومجتمعاتهم، وكيف أن كل قفزة تأتي بناءً على خطوات سابقة وتواجه تحدياتها التي تختلف بمرور الزمن.

المصادر:

[1] Stealing from the Saracens
[2] CitiesX: The Past, Present, and Future of Urban Life
[3] A tortured heap of towers': the London skyline of tomorrow
[4] من مكة إلى لاس فيغاس
[5] What happens after a neighborhood gets gentrified?
[6] Choosing the Unwalkable suburbs, or settleing for them?
[7] Super-tall, super-skinny, super-expensive: the 'pencil towers' of New York's super-rich
[8] Shared Ownership