الذكاء الاصطناعي يُعيدُ ابتكار وصفة الإسمنت: دراسةٌ جديدة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

لأسابيع، كانَ اللوح الأبيضُ في المختبر مُزدحمًا بالخربشات، والرسوم التوضيحية، والصيغ الكيميائية. كانَ فريقُ البحثِ في مجموعة أوليفيتي ومركزِ الاستدامةِ الإسمنتيةِ (CSHub) في معهدِ ماساتشوستسِ للتكنولوجيا يعملُ بشكلٍ مكثّفٍ على مشكلةٍ أساسية: كيف يمكنُنا تقليلُ كميةِ الإسمنتِ في الخرسانةِ للتوفيرِ في التكاليفِ والانبعاثات؟

لم يكن السؤالُ جديدًا بالتأكيد؛ فقد طالما استُخدمت موادٌ مثلُ الرمادِ الطائرِ، وهو منتجٌ ثانويٌّ لإنتاجِ الفحمِ، والخبث، وهو منتجٌ ثانويٌّ لصناعةِ الصلب، للاستبدالِ ببعضِ الإسمنتِ في مُخاليطِ الخرسانة. ومع ذلك، فإنّ طلبَ هذهِ المنتجاتِ يتجاوزُ العرضَ معَ سعيِ الصناعةِ إلى تقليلِ آثارها المناخيةِ من خلالِ توسيعِ استخدامها، مما يجعلُ البحثَ عن بدائلَ أمرًا طارئًا. لم يكن التحدّي الذي اكتشفَهُ الفريقُ هو نقصُ المُرشّحين؛ بل كانتِ المشكلةُ أنّ هناكَ الكثيرُ منهم لِتصنيفِهم.

في ١٧ مايو، نشرَ الفريقُ، بقيادةِ الباحثِ الما بعد الدكتوراه سوروش محجوبي، ورقةً بحثيةً متاحةً للعامة في مجلة Communications Materials التابعةِ لـ Nature، تُحدّدُ حلّهم. يُلاحظُ محجوبي: “أدركنا أنّ الذكاء الاصطناعيّ هو مفتاحُ المُضيّ قدمًا”. “هناكَ الكثيرُ من البياناتِ حولِ الموادِ المُحتملة – مئاتِ الآلافِ من صفحاتِ الأدبياتِ العلمية. كانَ فرزُها سيستغرقُ عمرًا كاملًا من العمل، وبحلولِ ذلك الوقتِ يكونُ قد تمّ اكتشافُ موادٍ أخرى!”

باستخدامِ نماذجِ اللغةِ الكبيرة، مثلُ روبوتاتِ الدردشةِ التي يستخدمُها الكثيرُ منّا يوميًا، بنى الفريقُ إطارًا للتعلّم الآليّ يُقيّمُ ويُصنّفُ الموادَ المُرشّحةَ بناءً على خصائصها الفيزيائيةِ والكيميائية.

يُوضحُ محجوبي: “أولاً، هناكَ التفاعليةُ الهيدروليكية. سببُ قوةِ الخرسانةِ هو أنّ الإسمنتَ – “الغراء” الذي يُمسكُ بها معًا – يتصلّبُ عندَ تعرضهِ للماء. لذلك، إذا استبدلنا هذا الغراء، يجبُ أن نتأكّدَ من أنّ البديلَ يتفاعلُ بطريقةٍ مُشابهة”. “ثانيًا، هناكَ الخصائصُ البُوزولانية. هذا عندما يتفاعلُ مادةٌ ما معَ هيدروكسيدِ الكالسيوم، وهو منتجٌ ثانويٌّ يُنشأُ عندما يلتقي الإسمنتُ بالماء، لجعلِ الخرسانةِ أكثرَ صلابةً وقوةً معَ مرورِ الوقت. يجبُ أن نُوازِنَ بينَ الموادِ الهيدروليكيةِ والبُوزولانيةِ في المُزيجِ حتى تُؤدّي الخرسانةُ أفضلَ أداءٍ لها”.

باستخدامِ الإطارِ لِتحليلِ الأدبياتِ العلميةِ وأكثرَ من مليونِ عينةٍ من الصخور، صنّفَ الفريقُ الموادَ المُرشّحةَ إلى ١٩ نوعًا، بدءًا من الكتلةِ الحيويةِ إلى منتجاتِ التعدينِ الثانويةِ إلى موادِ البناءِ المهدّمة. وجدَ محجوبي وفريقه أنّ الموادَ المُناسبةَ متاحةٌ عالميًا – وأكثرَ إثارةً للاِعجاب، يمكنُ دمجُ الكثيرِ منها في مُخاليطِ الخرسانةِ مجردَ طحنِها. هذا يعني أنّهُ مُمكنٌ استخراجُ توفيرٍ في الانبعاثاتِ والتكاليفِ دونَ معالجةٍ إضافيةٍ كبيرة.

يُلاحظُ محجوبي: “بعضُ أكثرِ الموادِ إثارةً للاهتمامِ التي يمكنُ أن تُستبدلَ بجزءٍ من الإسمنتِ هي الخزفيات”. “البلاطُ القديم، والطوب، والفخار – جميعُ هذهِ الموادِ قد يكونُ لها تفاعليةٌ عالية. هذا شيءٌ لاحظناهُ في الخرسانةِ الرومانيةِ القديمة، حيث أُضيفَت الخزفياتُ لِلمُساعدةِ في عزلِ الهياكل. أجريتُ الكثيرَ من المحادثاتِ المُثيرة للاهتمامِ حولَ هذا معَ الأستاذِ أدمير ماسيك، الذي يُقودُ الكثيرَ من دراساتِ الخرسانةِ القديمةِ هنا في معهدِ ماساتشوستسِ للتكنولوجيا”.

إمكانيةُ استخدامِ موادٍ يوميةٍ مثلِ الخزفياتِ وموادٍ صناعيةٍ مثلِ بقايا التعدينِ مثالٌ على كيفيةِ مساعدةِ موادٍ مثلِ الخرسانةِ في تمكينِ اقتصادٍ دائريّ. من خلالِ تحديدِ الموادِ وإعادةِ استخدامِها التي ستُنهي حياتها في مُكبّاتِ النفايات، يمكنُ للباحثينَ والصناعةِ المُساعدةُ في إعطاءِ هذهِ الموادِ حياةً ثانيةً كجزءٍ من مبانيها وبنيتها التحتية.

في المُستقبل، يُخطّطُ فريقُ البحثِ لِترقيةِ الإطارِ ليكونَ قادرًا على تقييمِ موادٍ أكثر، معَ التحقّقِ التجريبيّ من بعضِ أفضلِ المُرشّحين. تقولُ الأستاذةُ إلسا أوليفيتي، المُؤلفةُ الرئيسيةُ للعملِ وعضوةٌ في قسمِ علومِ الموادِ وهندستها في معهدِ ماساتشوستسِ للتكنولوجيا: “أوصلَت أدواتُ الذكاء الاصطناعيّ هذا البحثَ إلى حدٍّ بعيدٍ في وقتٍ قصير، ونحنُ مُتحمّسون لرؤيةِ كيفيةِ تفعيلِ آخرِ التطوّراتِ في نماذجِ اللغةِ الكبيرةِ للخطواتِ القادمة”. تُشغلُ منصبَ مديرةِ مهمّةٍ في مشروعِ المناخِ في معهدِ ماساتشوستسِ للتكنولوجيا، وباحثةٍ رئيسيةٍ في CSHub، وقائدةِ مجموعة أوليفيتي.

يقولُ راندولف كيرتشين، المُشاركُ في التأليفِ ومُديرُ CSHub: “الخرسانةُ هي العمودُ الفقريّ لِلبنيةِ التحتيةِ المبنية”. “من خلالِ تطبيقِ علومِ البياناتِ وأدواتِ الذكاء الاصطناعيّ على تصميمِ المواد، نأملُ في دعمِ جهودِ الصناعةِ للبناءِ بشكلٍ أكثرِ استدامةً، دونَ التنازلِ عنِ القوةِ، أو الأمان، أو المُتانة”.

هذا المحتوى تم باستخدام أدوات الذكاء الاصطناعي.