دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی ,علمی، پژوهشی و فناوری

درخشش دانشگاه صنعتی اراک در چهارمین دوره مسابقات بین‌المللی نوآوری و اختراع ژنو سوئیس

خبرگزاری علم و فناوری از استان مرکزی گزارش می‌دهد: چهارمین دوره مسابقات بین‌المللی اختراعات و نوآوری‌های سوئیس در سال 2024 با شرکت بیش از 40 کشور و نمایش بیش از 840 اختراع در ژنو برگزار شد. این رقابت‌ها به منظور ترویج خلاقیت و نوآوری در عرصه‌های مختلف علمی و صنعتی طراحی شده‌اند. در این دوره، اختراعاتی در زمینه‌های پزشکی، صنعتی، فناوری‌های نوین و انرژی‌های تجدیدپذیر به نمایش درآمدند.

از ایران، دانشگاه صنعتی اراک در استان مرکزی، دستاورد پایان‌نامه دانشجوی مهندسی اکتشاف معدن موفق به کسب مدال نقره در این مسابقات شد. 

این مسابقات به‌عنوان یکی از مهم‌ترین رویدادهای جهانی در زمینه نوآوری و اختراعات، فرصتی را برای مخترعان فراهم می‌کند تا ایده‌های خود را به نمایش بگذارند و با همکاران بین‌المللی ارتباط برقرار کنند که در این گزارش با تیم پژوهشی آشنا خواهیم شد.

آقای دکتر رضا احمدی، عضو هیئت‌علمی دانشگاه صنعتی اراک، با مقالات متعدد در مجلات و کنفرانس‌های معتبر ملی و بین‌المللی، نه‌تنها به پیشرفت دانش‌شناسی کمک کرده‌اند، بلکه نقش مهمی در تربیت دانشجویان و انتشار آثار دانشجویان جوان نیز ایفا می‌کنند. همچنین، محمدرضا اشکبوسی دانشجوی کارشناسی‌ارشد این دانشگاه، از کودکی علاقه خود را به اختراع و اکتشافات نشان داده است. او از سال سوم ابتدایی با خلاقیت و استفاده از ابزارهای ساده، یک دریل اسباب‌بازی را به کار انداخت و با حمایت معلم خود وارد دنیای نوآوری شد. اشکبوسی دارای کارشناسی رشته فیزیک و کارشناسی‌ارشد رشته مهندسی اکتشاف معدن از دانشگاه صنعتی اراک هست  و دارای چندین اختراع ثبت شده تا سال 2024 است.

در این گفتگو به بررسی تجربیات و چالش‌های این دو نوآور برجسته در پروژه مگنت و متر پروتون پرداختیم. آن‌ها در چهارمین دوره مسابقات بین‌المللی نوآوری و اختراع ژنو سوئیس موفق به کسب رتبه دوم و نشان نقره شدند. در این گزارش، مراحل تبدیل ایده به واقعیت و ساخت دستگاه مگنت و متر پروتون باقابلیت برداشت هم‌زمان سه ایستگاه توضیح داده می‌شود.

1- چه انگیزه‌ای شما را به طراحی و ساخت دستگاه مگنتومتر پروتون با قابلیت برداشت همزمان سه ایستگاه سوق داد؟

روش مغناطیس‌سنجی به عنوان یکی از قدیمی ترین روشهای اکتشاف ژئوفیزیکی دارای کاربردهای گوناگونی است که یکی از مهم‌ترین آن‌ها اکتشاف مواد معدنی فلزی مغناطیسی همانند کانسارهای آهن می باشد. با توجه به ارزش فلز آهن، اکتشاف و تأمین مواد معدنی آهن‌دار یکی از اهداف اصلی مهندسی معدن به شمار می‌رود. در این راستا، سریع‌ترین، مقرون‌به‌صرفه‌ترین و ارزان‌ترین روش برای اکتشاف مواد معدنی آهن‌دار، روش ژئوفیزیکی مغناطیس‌سنجی است که با استفاده از دستگاه‌های تخصصی ویژه انجام می‌شود.

کاربرد دیگر این روش، در باستان‌شناسی است که برای کشف مواد فلزی مغناطیسی به کار می‌رود. علاوه بر این، مغناطیس‌سنجی در اکتشاف نفت و گاز نیز استفاده می‌شود، به‌ویژه به‌عنوان یک روش کمکی پیش از روش لرزه‌نگاری بازتابی (مناسب‌ترین روش اکتشاف نفت و گاز) است.

باتوجه‌به طیف گسترده کاربردهای مغناطیس‌سنجی، نیاز به دستگاه‌های پیشرفته برای انجام این کار ضروری است. دستگاه مگنت و متر پروتون یکی از پیشرفته‌ترین و به‌روزترین دستگاه‌ها در این زمینه است، اما قیمت بالای آن و دشواری دسترسی، چالشی بزرگ برای کاربران به‌حساب می‌آید؛ بنابراین، تصمیم گرفته شد که در قالب پایان‌نامه کارشناسی‌ارشد، پژوهشی در راستای  طراحی و ساخت یک دستگاه مگنت و متر پروتون به‌اضافه یک‌سری قابلیت‌های جدید صورت گیرد.

2 -چالش‌های اصلی در طراحی و ساخت دستگاه با این قابلیت چندگانه چه بودند و چگونه بر آن‌ها غلبه کردید؟

چالش اول، دسترسی به قطعات موردنیاز برای انجام این کار بود. برخی از تجهیزات ضروری برای دقت بالای این دستگاه در کشور موجود نیست. علی‌رغم مشکلات تأمین قطعات، امروزه کسی برای ساخت قطعات، به‌اصطلاح "چرخ را از نو اختراع نمی‌کند". شرکت‌های معتبر جهانی قطعات را به‌صورت استاندارد تولید می‌کنند. برای پیشبرد کار، ناگزیر به بازتولید برخی از آن‌ها شدیم. قطعاتی که در جهان موجود بودند، اما به دلیل تحریم‌ها در ایران قابل‌دسترسی نبودند، توسط خود ما تولید شدند. در نهایت، با کنار هم قراردادن این ماژول‌ها و قطعات مختلف، به نتیجه مطلوبی دست یافتیم.

چالش دوم: این دستگاه جزء تکنولوژی‌های پیشرفته (های‌تک) محسوب می‌شود و داده‌های شفافی از آن در دسترس نیست. ما ناچار بودیم داده‌ها را به طور رسمی استخراج کنیم یا با آزمون‌وخطا به نتیجه برسیم. این دستگاه برای اولین‌بار در ایران به این شکل ساخته شد و برخی فناوری‌های به‌کاررفته در آن نیز برای نخستین‌بار در جهان به کار گرفته شده‌اند. مقالات منتشرشده در ژورنال‌های بین‌المللی نیز اطلاعات شفافی از دستاوردهای خود ارائه نمی‌دهند. تنها به تئوری‌ها و فرمول‌ها اشاره می‌شود و بخش‌های مهمی نیز عمداً بیان نمی‌گردند.

در مورد ثبت اختراع باید بدانید، حتی اگر بخواهید اختراعی را در هر مرجع ثبت کنید، می‌بایست ضمن مطالعه اختراعات پیشین وجه تمایز اختراع خود را بیان کنید و موضوع مهم‌تر این است که ثبت اختراع در واقع یک افشاگری فنی است تا پژوهشگران بعدی بتوانند بامطالعه آن اقدام به توسعه محصول و فرایند موردنظر خود کنند؛ اما در مطالعات در خصوص این دستگاه داده‌های معتبر و قابل استنادی برای راهنمایی در ساخت دستگاه وجود نداشت و خود این موضوع کار را چالش‌برانگیزتر می‌کرد. اولین شرط ثبت اختراع این است که دستگاه به طور شفاف معرفی شود تا هر فردی بتواند بامطالعه مستندات، آن را بسازد.

چالش سوم، به‌روزرسانی تکنولوژی ساخت بود. دستگاه‌های مگنت و متر پروتون از حدود دو دهه پیش‌ساخته شده‌اند و در یک محدوده دقت کار می‌کنند. مسئله اصلی این است که تکنولوژی ساخت ما با آن‌ها متفاوت است و نمی‌خواستیم به نسل قبلی بازگردیم. پردازنده‌ها و قطعاتی که ما انتخاب کردیم به‌گونه‌ای هستند که می‌توان ادعا کرد برای اولین‌بار این دستگاه به‌صورت ماژولار طراحی و ساخته شده است. این ماژول‌ها از نظر سخت‌افزاری و نرم‌افزاری به دستگاه افزوده می‌شوند و امکان به‌روزرسانی آن را در هر زمانی فراهم می‌کنند؛ بنابراین، اگر در آینده تکنولوژی جدیدتری وارد شود، دستگاه بلااستفاده نخواهد بود و با افزودن یک ماژول، قابلیت‌های جدیدی به آن اضافه می‌شود.

3- آیا برای تحقق قابلیت برداشت همزمان سه ایستگاه از فناوری‌ها یا تکنیک‌های خاصی استفاده کردید؟

در دستگاه‌های فعلی، در هر لحظه تنها یک نقطه از زمین اندازه‌گیری می‌شود، زیرا این دستگاه‌ها تنها یک سنسور دارند. اما دستگاه ما دارای سه سنسور است که هم‌زمان سه‌نقطه را اندازه‌گیری می‌کند و این نقاط بافاصله نیم متر از یکدیگر قرار دارند. این قابلیت باعث افزایش سرعت عمل برداشت می‌شود که یکی از مطلوبیت‌های کاربران در زمینه اکتشاف است. برای حفظ دقت مطلوب، تدابیری اندیشیده شده تا این سنسورها بر روی یکدیگر تأثیر متقابل نداشته باشند. در واقع باتوجه‌به فرمول‌های اختصاصی که برای آن در نظر گرفته‌ایم، اصطلاحاً خروجی دقیق‌تر و تمیزتری ارائه می‌دهد.

4-چگونه توانستید هماهنگی و دقت بین سه ایستگاه را حفظ کنید؟

سنسور در محیط‌های آلوده به انواع نوفه‌ها به‌سرعت دچار اختلال می‌شود. به این معنی که اگر در محیط‌های دارای تیر برق، موبایل یا هر وسیله الکترونیکی کنترل‌نشده،  برداشت صورت گیرد، اطلاعات اصلی مختل می‌شوند. ما بر اساس اصول زمان‌بندی، یک ثانیه را به هزار واحد زمانی تقسیم‌بندی کرده و دقت دستگاه را به یک هزارم ثانیه رساندیم. سپس سنسورها را به‌گونه‌ای تنظیم کردیم که در هر لحظه مشخص باشد کدام سنسور فعال و کدام غیرفعال است. این زمان‌بندی دقیق باعث شده که هر سنسور در لحظه مناسب فعال شود و داده‌ها بدون اختلال جمع‌آوری گردند. به‌عنوان‌مثال، سنسور وسط می‌تواند ابتدا برداشت کند و سپس سنسورهای کناری فعال شوند.

یکی از پژوهشگران قبلاً این آزمایش‌ها را انجام داده و ما به‌عنوان پژوهشگران بعدی تمامی این حالات را اندازه‌گیری کرده‌ایم. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، می‌توان اعلام کرد که برخی از این حالات بهترین و کمترین میزان خطا را در نتایج ارائه می‌دهند.

5-دستگاه مگنتومتر پروتون با قابلیت برداشت همزمان سه ایستگاه چه مزایایی نسبت به دستگاه‌های مشابه دارد؟

علاوه بر افزایش سرعت برداشت، این دستگاه دارای مانیتور و حافظه داخلی است که اطلاعات را به لپ‌تاپ منتقل کرده و در فرایند محاسباتی بررسی می‌کند. در این راستا نرم‌افزارهای مختلفی برای پردازش داده‌ها در این دستگاه طراحی کرده‌ایم.

 برای اولین‌بار در دستگاه‌های مگنت و متر پروتون، توسعه‌هایی  ایجاد کرده‌ایم. هدف اصلی توسعه شامل پیشرفت در زمینه‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری است. توسعه نرم‌افزاری به این معناست که دستگاه با نرم‌افزاری اندرویدی به‌روز می‌شود و به پردازش سریع و ارتقای نرم‌افزاری اندرویدی توجه دارد. همچنین، شبیه‌سازی تصویری و محاسبات با استفاده از هوش مصنوعی انجام می‌شود که یکی از فناوری‌های پیشرفته در این حوزه است. این نوع توسعه منحصربه‌فرد بوده و شامل فناوری‌های پیشرفته و قطعات مدرن برای بهبود می‌شود.

به دلایل گوناگون و به‌ویژه در شرایط تحریمی فعلی، فرایند تعمیر دستگاه‌های وارداتی موجود در صورت معیوب‌شدن، بسیار پیچیده، زمان‌بر و پرهزینه است. اما دستگاه طراحی شده جدید، این قابلیت را دارد که هر قطعه آن به‌راحتی تعمیر و حتی به‌روزرسانی شود که این ویژگی آن را نسبت به دستگاه‌های خارجی کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌کند.

6-چه ویژگی‌هایی در طراحی دستگاه به شما این امکان را داده است که داده‌ها را به طور هم‌زمان از سه ایستگاه برداشت کنید؟

در این دستگاه از یک هسته مرکزی باقابلیت تکنولوژی IIOT استفاده شده است که می‌توان با اتصال آن به دستگاه‌های هوشمند اندرویدی اقدام به توسعه نرم‌افزارهای  پردازشی تخصصی کرد که به‌صورت برخط اطلاعات برداشتی از دستگاه مگنت و متر پروتون را دریافت و برای پردازش و مقایسه با اطلاعات قبلی مورد بررسی قرار دهد و این موضوع یکی از مهم‌ترین مزیت‌های این دستگاه محسوب می‌شود.

7-آیا دستگاه قابلیت‌های خاصی برای پردازش و تحلیل داده‌های به‌دست‌آمده از سه ایستگاه به‌صورت هم‌زمان دارد؟

مطابق بررسی‌های صورت‌گرفته، در این دستگاه تعداد 16 حالت برای ویرایش و پردازش اولیه داده‌ها در حین برداشت وجود دارد که برای بررسی دقیق تر باید تمام 16 حالت در یک محیط مغناطیسی کاملاً شناخته شده، با برداشت توسط دستگاه مگنتومتر جدید مورد ارزیابی قرار گیرد و براساس بهترین نتایج، مدلی برای عملکرد دستگاه جدید ایجاد شود.

8-این قابلیت برداشت همزمان سه ایستگاه چه کاربردهایی در زمینه‌های مختلف مانند ژئوفیزیک، اکتشافات معدنی و مطالعات باستان‌شناسی دارد؟

در این روش، سه‌نقطه مجزا باید به طور دقیق موردتوجه قرار گیرند. همان‌گونه که در قسمت‌های قبلی نیز گفته شد کاربردهای مهم روش مغناطیس‌سنجی در اکتشاف مواد معدنی فلزی مغناطیسی و کاوش‌های باستان‌شناسی است. علاوه بر این، در اکتشاف نفت و گاز نیز به‌عنوان یک روش کمکی مؤثر به کار گرفته می‌شود. سرعت عمل و دقت برداشت برای ژئوفیزیک‌ها و کاربران دستگاه‌های این شاخه از علم ژئوفیزیک، اهمیت بالایی دارد.

9-چه تأثیراتی بر روی دقت و کیفیت داده‌ها از نظر تحلیل ناهنجاری‌های مغناطیسی و شناسایی ساختارهای زیرسطحی دارد؟

در روش‌های ژئوفیزیکی، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها همواره وجود نویزها (پارازیت‌ها) است. البته در برداشت‌های ژئوفیزیکی وجود نویزها اجتناب‌ناپذیر بوده و هیچ روشی قادر به حذف کامل آن‌ها نیست. همیشه تلاش بر این است که تاحدامکان نویزها کاهش یابند.

برای این مسئله نیز تمهیداتی اندیشیده شده تا تداخل پراب‌ها (سنسورها) بر روی یکدیگر به حداقل برسد که این هم به معنای کاهش هرچه بیشتر نویزها است. در مراحل بعدی که پردازش داده‌ها صورت می‌گیرد، نویزها بیشتر کاهش می‌یابند.

10-چگونه این ویژگی می‌تواند به بهبود پروژه‌های تحقیقاتی و عملی در این زمینه‌ها کمک کند؟

این دستگاه به‌گونه‌ای طراحی شده که قابلیت توسعه سخت‌افزاری و نرم‌افزاری، و همچنین امکان دریافت به‌روزرسانی‌های متعدد جهت هماهنگی با فناوری‌های روز را دارا باشد. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که دستگاه به‌عنوان ابزار پژوهش ایده‌آل برای تحقیقات گسترده‌تر و به‌روزرسانی‌های آینده مورداستفاده قرار گیرد.

11-آیا برنامه‌هایی برای ارتقاء یا بهبود قابلیت‌های دستگاه در آینده دارید؟ اگر بله، چه ویژگی‌هایی را قصد دارید اضافه کنید؟

تیم تحقیقاتی تمرکز خود را بر افزایش دقت برداشت داده‌های دستگاه گذاشته است. تمامی قطعات دستگاه از ابتدا بازطراحی و تولید شده‌اند که این رویکرد منجر به ساخت دستگاهی با طراحی مدرن و کارآمدتر شده است. با تجمیع این قطعات، دقت دستگاه به‌صورت خودکار بهبود یافته و قابلیت‌های جدیدی به آن اضافه شده است تا کارایی و عملکرد آن به طور چشمگیری افزایش یابد.

12-آیا قصد دارید نسخه‌های جدیدی از دستگاه با قابلیت‌های پیشرفته‌تر طراحی کنید؟

این دستگاه به گونه‌ای طراحی شده که مانند یک پازل عمل می‌کند؛ به جای نیاز به ارتقاء کامل، تنها با افزودن یک قطعه جدید قابلیت‌های آن بهبود می‌یابد. همچنین برنامه‌ریزی شده است که در حوزه نرم‌افزار نیز فعالیت‌هایی انجام شود تا امکان تحلیل‌های هم‌زمان و بهینه‌سازی عملکرد دستگاه فراهم گردد.

13-برنامه ای برای توسعه دستگاه دارید؟

احتمال افزایش تعداد سنسورهای دستگاه به ۵ واحد نیز وجود دارد که می‌تواند کارایی و دقت آن را بهبود بخشد.

14-چگونه می‌خواهید به نیازهای بازار و صنعت برای دستگاه خود پاسخ دهید و به چه انتظاراتی از بازار امیدوارید؟

هدف اصلی از طراحی و ساخت این دستگاه، بومی‌سازی آن است، چرا که هزینه‌های تحقیق و توسعه آن نسبت به خرید حتی یک دستگاه دست‌دوم خارجی کمتر خواهد بود. بدیهی است که ارائه محصولی با قیمت پایین‌تر از نمونه‌های خارجی، برای کاربران جذابیت بیشتری دارد. بنابراین، برای پاسخگویی به نیازهای بازار داخلی، باید به‌سمت تولید انبوه این محصول حرکت کرد.

15-تجربه طراحی و ساخت دستگاه با این قابلیت چندگانه چه تأثیری بر روی شما و تیم‌تان گذاشته است؟

مواد معدنی به‌عنوان یکی از نیازهای اساسی صنایع همواره مورد توجه بوده‌اند. اکتشاف این مواد، به‌ویژه فلزات مغناطیسی، از جنبه‌های حیاتی و اقتصادی برخوردار است. دستگاه جدیدی که معرفی شده، می‌تواند نیاز بازار داخلی را در این حوزه مرتفع کند. همچنین، انتشار نتایج پژوهش‌ها در قالب مقالات علمی بین‌المللی، نه تنها ارزش و اهمیت این پژوهش‌ها را افزایش می‌دهد، بلکه به هدف نهایی هر پژوهشگر که دستیابی به تأثیرات گسترده علمی است، کمک می‌کند.

16-چه آموزه‌ها و نکات خاصی از این پروژه به دست آوردید که در پروژه‌های آینده به شما کمک خواهد کرد؟

قابلیت‌های دستگاه جدید نسبت به نمونه‌های موجود بسیار پیشرفته‌تر است، اما از لحاظ  فنی همچنان به دنبال ارتقای آن با ایده‌های نوآورانه‌تر هستیم. به گفته کارشناسان، «ایده‌ها همیشه از دل یکدیگر زاده می‌شوند.» یکی از پیشنهادات مهم این است که سه پراب دستگاه با طراحی متفاوت از یکدیگر باشند و هرکدام به‌طور مستقل داده‌ها را پردازش کنند، که این امر می‌تواند به دقت و کارایی بیشتری در خروجی منجر شود.

صحبت پایانی

این تحقیق ادامه خواهد داشت و در حال حاضر از چند شتاب‌دهنده فعال در ایران قول همکاری گرفته‌ایم، اما منتظر هیچ سیستم یا فرد خاصی نیستیم و با توجه به اهداف خود، مسیر را تا دستیابی به نتایج بهتر ادامه خواهیم داد. خبرگزاری علم و فناوری نباید تنها به اطلاع‌رسانی محدود شود؛ بلکه باید انگیزه‌ای برای مخاطبان ایجاد کند. به‌ویژه دانشجویان باید فرصتی برای ورود به این عرصه‌ها پیدا کنند، به‌طوری‌که 70 درصد از نقش این خبرگزاری ایجاد انگیزه در مخاطبانش است.