العلم في عصر الخبرة - هكذا يكتسب الابتكار العلمي زخما

أصبح العلم اليوم أكثر تحديًا من أي وقت مضى. يصبح الابتكار أكثر تعقيدًا مع تعميق العلماء وتوسيع مجالات ممارساتهم. ويتعين على العلماء أن يستخلصوا استنتاجات من جبال من البيانات، وأن يقدموا حلولاً لأكثر الأسئلة تعقيداً، على الرغم من تقلص الميزانيات والجداول الزمنية الأكثر صرامة.

بقلم إيلي بويكيس، الرئيس التنفيذي لشركة داسو سيستمز إسرائيل

أصبح العلم اليوم أكثر تحديًا من أي وقت مضى. يصبح الابتكار أكثر تعقيدًا مع تعميق العلماء وتوسيع مجالات ممارساتهم. ويتعين على العلماء أن يستخلصوا استنتاجات من جبال من البيانات، وأن يقدموا حلولاً لأكثر الأسئلة تعقيداً، على الرغم من تقلص الميزانيات والجداول الزمنية الأكثر صرامة. عندما تكون التحديات كبيرة والموارد محدودة، فإن عدم الكفاءة ليس خيارا.

ولحسن الحظ، تساعد الأدوات والتقنيات الرقمية الجديدة العلماء على استكشاف العالم الجزيئي وفهم العالم المجهري بشكل أفضل، مما يقودهم إلى عصر جديد من الابتكار. من الذرات إلى الطائرات، ومن التصميم واسع النطاق إلى الأدوية، نحن في عصر يوفر فيه التكامل بين النمذجة والمحاكاة لعلم الأحياء والكيمياء والمواد للعلماء الدعم الذي يحتاجون إليه لتطوير الاكتشافات والمعرفة. لم يعد البحث العلمي مقيدًا بفيزياء العالم الحقيقي.

إن البيانات الضخمة، وخفض التكاليف بفضل النمذجة الرقمية، والحوسبة السريعة، تجعل من الممكن إعادة اختراع الطريقة التي يجري بها العلماء الأبحاث. بالإضافة إلى ذلك، يمكن الآن التعامل مع الأسئلة البحثية التي كانت تثار والعمل عليها بمعزل عن الآخرين مع الزملاء داخل المجال ومن مجالات مختلفة من خلال منصات تعاونية قائمة على السحابة. وبهذه الطريقة، من الممكن كسر جدران المستودعات المنفصلة للبيانات والخبرات، وتوفير بنية تحتية موحدة لجمع وتبادل المعرفة.

لقد تغيرت أيضًا الطريقة التي يتم بها مشاركة هذه المعرفة. إن استخدام النماذج ثلاثية الأبعاد، والواقع المعزز والواقع الافتراضي، يسمح للآخرين بتجربة العلوم بشكل مباشر، بدلاً من النصوص والجداول والرسوم البيانية. وهذا صحيح سواء تناول العلم بنية الجسيمات النانوية، أو وظيفة أحد الأعضاء في جسم الإنسان، أو تغير مناخ الأرض، أو أسرار الكون التي يتم اكتشافها في النجوم البعيدة.

أحد التغييرات الأساسية في عالم العلوم هو دمج العالم الجزئي والعالم الكلي - الجسيمات والعالم اليومي. غالبًا ما يتم وصف التجارب اليومية من خلال عدسة ماكرو. ومع ذلك، هناك عالم صغير مخفي يدعم تجارب الحياة هذه. يسمح التطور العلمي الرقمي الآن للعلماء والمهندسين ومطوري المنتجات بتسخير العالم الكلي والجزئي في نفس الوقت.

ويمكن رؤية نتائج هذه التغييرات في مجال هندسة المواد. في الماضي، استغرق تطوير مواد جديدة سنوات منذ اكتشافها وحتى توفرها تجاريًا، وكانت هذه المواد موجودة عادةً في الطبيعة. لكن الطلب على الابتكار السريع والمنتجات ذات الأداء الأفضل تجاوز نطاق أداء المواد الموجودة. وقد استجاب العلم من خلال تطوير مواد هندسية، حيث يمكن تصنيع الهياكل والخصائص الكمومية لتحقيق أهداف الأداء المتنوعة على المستوى الكلي. من الممكن اليوم التخطيط لتطوير مواد جديدة وفقًا لتطبيقاتها، مع المحاكاة والتحليلات للتنبؤ بالاحتياجات، لضمان الإجراء المطلوب. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب تصميم المنتجات وهندستها قدرات وموهبة وتفكير العديد من الخبراء، الذين يحتاجون جميعًا إلى التواصل بشكل فعال لضمان أن الجميع يعملون على نفس مجموعة المعرفة ونحو نفس الأهداف، والرقمنة تجعل ذلك ممكنًا.

يعمل حل BIOVIA من Dassault Systèmes على تحسين هندسة المواد من خلال تمكين المستخدمين النهائيين من تصميم واختيار جزيئات وأحياء ومواد معينة، وتحسين تطبيقاتها من خلال نمذجة المحاكاة والتحليلات التنبؤية لإنتاج طلاءات ذكية، ومركبات أخف وأقوى، وبوليمرات صديقة للبيئة. تقترب التكنولوجيا بسرعة من استخدام المادة كمتغير بدلًا من كونها ثابتة.

كسر حدود التخطيط

لقد وصل تطوير المنتج إلى نقطة حرجة حيث يوجد انجراف في اتجاه جديد - يحدث خارج عالم البرمجيات - مما يؤثر على الطريقة التي ننظر بها إلى تصميم المنتج وهندسته.

هذا "الشيء" هو إنجاز التصنيع الإضافي (AM). كانت هذه التكنولوجيا (المعروفة أيضًا باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد) موجودة منذ فترة. لكنها لم تعد مقتصرة على بناء النماذج الأولية، بل يمكنها أيضًا إنتاج الأجزاء النهائية والمنتجات النهائية. في حين أنه من غير المتوقع أن تحل AM محل جميع عمليات التصنيع التقليدية، فمن المؤكد أنها يمكن أن تكمل بعضها، خاصة بطرق تعمل على تحسين كفاءة سلسلة التوريد. كما أنه يوفر مستويات جديدة تمامًا من حرية التصميم، مما يسمح للمهندسين بالتفكير خارج الصندوق بطرق مبتكرة للغاية. من الممكن تقليل كمية الأجزاء بشكل كبير، تقليل وزن المنتج من خلال هيكل شبكي داخلي يحتوي على تجاويف - مما يحافظ على قوة الجزء أو المنتج بل ويزيده، طباعة الدوائر داخل المنتج، تحسين كل شيء - من معدات طبية مصممة خصيصًا للمريض للمنتجات الاستهلاكية الشخصية - والمزيد.

ولكن من المهم أن نتذكر أنه كقاعدة عامة، يتوسع غلاف التصميم بهذه الطرق المثيرة، فهو يتوسع في كلا الاتجاهين: إلى الخارج إلى الماكرو، والمنتجات النهائية، ولكن أيضًا إلى المستوى الجزئي للجزيئات التي تشكل المنتج. ونتيجة لذلك، تصبح الحاجة إلى التنبؤ بسلوك المنتج أكثر أهمية مع دخول عمليات مثل التصنيع الإضافي - الذي يوحد المواد ويجمعها بطرق جديدة، غالبًا باستخدام درجات حرارة عالية جدًا، إلى صورة الإنتاج. إن توحيد علوم وهندسة المواد، من خلال هندسة المنتجات الافتراضية ومحاكاة الأداء، يسد الفجوة بين العالمين الجزئي والكلي، مما يتيح تشكيل التصميم والتحسين من الذرة إلى المنتج.

إن مزايا الجمع بين التخطيط والمحاكاة واضحة ومعروفة منذ بعض الوقت - بغض النظر عن طريقة الإنتاج النهائية؛ تتحسن عملية تطوير المنتج بأكملها عندما تجمع بين المحاكاة والتخطيط، ويكون التحسين بمثابة التزيين على الكعكة. عند التحقق من التصميم وتحسينه والتبديل بين المعلمات المختلفة، يتم ذلك على أساس نتائج التحسين التي تحدث في الوقت الفعلي.

ومع توفر هذه الأدوات، هناك حاجة متزايدة للانتقال إلى ما نسميه "التفكير في التصنيع الإضافي"، والذي يؤثر على طريقة التفكير في التصميم وإدراكه. لم يعد غلاف التصميم ثابتًا. وبطبيعة الحال، لا تزال هناك حاجة للمدخلات البشرية للأسطح والنقاط الثابتة مثل الآبار، ولكن كل شيء آخر داخل مساحة التصميم أصبح الآن متاحًا للأدوات البرمجية لاقتراح التصميم الأمثل.

لقد واجهت شركة Dassault Systèmes التحدي الذي فرضه مفهوم التخطيط الحر. بغض النظر عن التكنولوجيا المستخدمة في الإنتاج، يجب على المنتج النهائي أن يحقق أعلى مستوى من رضا العملاء. لتحقيق هذا الهدف، يجب ترجمة التصميم الإبداعي لكل جزء عضوي مرة أخرى إلى هندسة ملف CAD، وذلك لأن بيانات CAD لا تزال تقود كل شيء بدءًا من المستويات العالية من المحاكاة (اختبارات السقوط، والتعطل، وما إلى ذلك) إلى التصنيع - لا يهم إذا كنت تتعامل مع حقن البلاستيك أو معالجة المعادن.

وعلى غرار الطريقة التي تسمح بها التكنولوجيا للاقتصادات بالانتقال من إنتاج المنتجات والخدمات إلى توفير تجارب متعددة الأبعاد وذات مغزى، تعمل التقنيات الرقمية على تغيير العلوم إلى تجربة أكثر ديناميكية وشمولا. فهي تلغي الحاجة إلى العمليات الروتينية، وتسمح بإطلاق العنان للفضول والإبداع اللذين يشكلان جوهر العملية العلمية. ولهذا، من الضروري اعتماد "تفكير التصنيع الإضافي" الذي يؤثر على الطريقة التي نفكر بها في التصميم الشامل، بدءًا من الجزيئات وحتى المنتج النهائي. نحن الآن أكثر تجهيزًا من أي وقت مضى للقيام بذلك، وتخيل العالم والمنتجات النهائية بشكل أفضل، ومحاكاتها، وجعل الواقع أفضل. مرحباً بكم في العلم في عصر التجارب.