چاپگرهای سه بعدی به کمک هوش مصنوعی می‌توانند مانند جکسون پولاک بنویسند

یادگیری تقویتی به چاپگرهای سه بعدی اجازه می‌دهد تا ناپایداری‌های مارپیچی را مهار کنند و همانند جکسون پولاک بنویسند.

اگر تا به حال عسل را روی یک تکه نان تست ریخته باشید، متوجه شده‌اید که چگونه مایع کهربایی هنگام برخورد با نان تست خمیده و جمع می‌شود. همین اتفاق می‌تواند در چاپ سه بعدی و چهار بعدی نیز رخ دهد اگر نازل چاپ خیلی دور از بستر چاپ باشد. دانشمندان هاروارد با الهام از روش‌های نوآورانه هنرمند اکسپرسیونیسم انتزاعی جکسون پولاک به جای تلاش برای کنترل آن برای تسریع قابل توجه فرآیند، از فیزیک زیربنایی استفاده کرده‌اند. طبق یک مقاله جدید که در مجله Soft Matter منتشر شده است، با کمک یادگیری ماشینی، نویسندگان توانستند برای نشان دادن صحت رویکرد جدید خود، کوکی را با شربت شکلات تزئین کنند.

همانطور که قبلاً گزارش شده است، پولاک در ابتدا از تکنیک رشته پرنده یا catenary پرنده استفاده می‌کرد قبل از اینکه روش‌های چکه کردن خود را کامل کند. رنگ، فیلامنت‌های چسبناک مختلفی را تشکیل می‌دهد که به سمت یک بوم عمودی پرتاب می‌شوند. تکنیک چکه کردن شامل پهن کردن بوم روی زمین و ریختن رنگ روی آن است. گاهی اوقات، او آن را مستقیماً از قوطی می‌ریخت؛ گاهی از چوب، چاقو یا قلم مو استفاده می‌کرد و گاهی از سرنگ استفاده می‌کرد. این هنرمند معمولاً در حین کار به طور ریتمیک در اطراف بوم حرکت می‌کرد. سبک او مدت‌ها فیزیکدانان را مجذوب خود کرده است، همانطور که در جنجال بر سر این سوال مشهود است که آیا نقاشی‌های پولاک شواهدی از الگوهای فرکتال را نشان می‌دهد یا خیر.

در سال ۲۰۱۱، ریاضیدان هاروارد لاکشمینارایانان مهادیوان با مورخ هنری کلود سرنوشچی در مورد مقاله‌ای برای فیزیک امروز همکاری کرد که استفاده پولاک از ناپایداری مارپیچی را در نقاشی‌های خود بررسی می‌کرد. این مطالعه به صورت ریاضی توضیح می‌دهد که چگونه یک مایع چسبناک مانند یک طناب مارپیچی روی خود جمع می شود؛ درست مانند ریختن شربت افرا سرد روی پنکیک.

الگوهایی که شکل می‌گیرند به ضخامت مایع (ویسکوزیته آن) و سرعت حرکت آن بستگی دارد. مایعات غلیظ هنگام پخش سریع روی بوم خطوط مستقیم تشکیل می‌دهند، اما اگر به آرامی ریخته شوند، حلقه‌ها و خطوط زیگزاگ و شکل هشت تشکیل می‌دهند. مهادیوان متعاقباً ضخامت خطوط و شعاع حلقه ها را در یک نقاشی پولاک که این اثر را نشان می‌دهد اندازه گیری کرد و تیم از آن داده‌ها برای برآورد سرعت جریان رنگ در حالی که دست هنرمند در سراسر بوم حرکت می کرد استفاده کردند. یک مطالعه در سال ۲۰۱۹ این نتیجه گیری را رد کرد و در عوض دریافت که اکثریت قریب به اتفاق آثار پولاک به دلیل اینکه هنرمند به طور فعال از ناپایداری های مارپیچی اجتناب می‌کرد تولید شده است، اگرچه نویسندگان اذعان کردند که احتمالاً این آخرین کلمه در این مورد نیست.

اکنون، مهادیوان توجه خود را به استفاده از آنچه در مورد ناپایداری‌های مارپیچی پولاک آموخته است برای نوشتن مستقیم جوهر، یک روش همه کاره برای چاپ سه بعدی و چهار بعدی معطوف کرده است. اشکال این کار این است که نوشتن مستقیم جوهر یک فرآیند بسیار کند است، زیرا هر جریان ناهمگونی که از ارتفاع سقوط می‌کند، جمع می‌شود یا خم می‌شود، که منجر به ایجاد نقص در اشیاء چاپ شده می‌شود. این بدان معناست که نازل چاپ باید فقط چند میلی متر از سطح چاپ قرار گیرد تا الگوی چاپ هدف را به طور دقیق تقلید کند. محدودیت دیگر این است که توپولوژی‌های پیچیده‌تر را به سختی می توان چاپ کرد و کنترل هر گونه چرخش تیز بدون تحریف رشته اکسترود شده نیز دشوار است.

بنابراین، مهادیوان و همکارانش به جای تمرکز بر کنترل نازل، تصمیم گرفتند به این فکر کنند که چگونه می‌توان از این ناپایداری‌های مارپیچی بهره برداری کرد تا آنها را سرکوب کند، درست مانند کاری که پولاک در نقاشی های خود انجام داد. کلید این کار دسته ای از الگوریتم های یادگیری ماشین به نام روش های یادگیری تقویتی است که در آن سیستم از طریق تعاملات مکرر با محیط “یاد می گیرد” و اشتباهات خود را با هر تکرار اصلاح می کند.گاورو چوداری، نویسنده همکار و دانشمند سابق پس از دکترا در آزمایشگاه مهادیوان که اکنون در MIT کار می کند، گفت: “اگر به چاپگرهای سه بعدی سنتی نگاه کنید، یک مسیر از نقطه A به نقطه B را برای آنها فراهم می‌کنید و نازل جوهر را در امتداد آن مسیر مشخص شده می‌گذارد. اما رویکرد پولاک برای پرتاب رنگ از ارتفاع به این معنی بود که حتی اگر دست او در یک مسیر خاص حرکت می‌کرد، رنگ به دلیل شتاب به دست آمده از جاذبه، آن مسیر را دنبال نمی کرد. یک حرکت کوچک می تواند منجر به پاشیدن مقدار زیادی رنگ شود. با استفاده از این تکنیک، می‌توانید طول‌های بزرگ‌تری را نسبت به آنچه می‌توانید حرکت دهید چاپ کنید، زیرا این شتاب آزاد را از جاذبه به دست می‌آورید.

مهادیوان و همکارانش یافته های خود را از اجرای شبیه‌سازی‌های عددی با یک سری آزمایشات آزمایشگاهی آزمایش کردند. آنها از یک مایع چسبناک ساده که از طریق یک نازل با سرعت جریان ثابت پخش می‌شد، استفاده کردند و مایع را در امتداد یک مسیر از پیش تعریف شده از بالای یک ورق کاغذ صاف که روی یک پلت فرم ثابت مسطح چسبانده شده بود، قرار دادند.

آزمایش‌های مفهومی آنها از مایعات ساده با تنها یک لایه از موادی که روی یک سطح صاف چاپ می‌شد استفاده می‌کردند؛ مثل جمله ریختن شربت شکلات روی یک ویفر بافت‌دار. تیم دریافتند که چاپ از ارتفاع با روش آنها به طور طبیعی سطوح ناهموار را بر خلاف نوشتن مستقیم جوهر سنتی که در آن یک سطح نامنظم منجر به ناهمواری در مواد رسوب شده می‌شود، مدیریت می‌کند.

کارهای آتی به چالش کار با مایعات پیچیده مانند پلیمرهای مایع، خمیرها یا حتی مواد غذایی، و همچنین انباشته شدن چندین لایه برای ایجاد اشیاء سه بعدی خواهد پرداخت. مهادیوان گفت: «مهار فرآیندهای فیزیکی برای دستیابی به نتایج کاربردی، هم نشانه ای از رفتار هوشمندانه و هم در قلب طراحی مهندسی است. این مثال کوچک، بار دیگر نشان می دهد که درک تکامل اولی می تواند به ما کمک کند تا در دومی بهتر عمل کنیم.»