الذكاء الاصطناعي والدائرية: مفتاح مستقبل المواد في عصر الذكاء الاصطناعي

• يشكل التحول المناخي في جوهره تحولا في عالم المواد، فهو تحد واسع النطاق تحكمه قيود الزمن والضغوط البيئية.
• ولا يمكن لهذا التحول أن يعتمد على الاستخراج وحده، بل يتطلب تطوير مواد جديدة أكثر كفاءة، إلى جانب أنظمة دائرية تحافظ على المواد الحالية قيد الاستخدام.
• ويقدم الذكاء الاصطناعي فرصة عميقة لمعالجة هذا التحدي الكثيف الاعتماد على المواد، لكن نجاحه يظل مرهونا باقترانه بمنظور دائري واضح.

لقد ارتبطت كل قفزة كبرى في تاريخ التقدم البشري باختراق في مجال المواد. فالنحاس أتاح الكهرباء، والصلب بنى المدن، والسيليكون أطلق عصر الحوسبة، بينما يقود الليثيوم اليوم التحول العالمي في الطاقة.

وتؤكد لجنة تحولات الطاقة أن التحول المناخي هو في جوهره تحول في المواد. وتشير تقديراتها إلى أن تحقيق الحياد الكربوني بحلول عام 2050 سيتطلب نحو 6.5 مليار طن من المواد بين الآن ومنتصف القرن، وهو تحد ضخم يتقاطع فيه عامل الوقت مع الضغوط البيئية.

وبات من الواضح أن هذا التحول لا يمكن أن يعتمد على أساليب الاستخراج التقليدية وحدها. فنحن بحاجة إلى مواد جديدة أكثر كفاءة، وإلى أنظمة دائرية تحافظ على المواد الحالية وتعيد إدخالها في الدورة الاقتصادية. وهذا يستدعي إعادة التفكير جذريا في كيفية اكتشاف المواد وإنتاجها وإعادة استخدامها عبر مختلف الأنظمة الصناعية الكبرى.

ومع ذلك، كان الابتكار في مجال المواد بطيئا تاريخيا، إذ غالبا ما جاءت الاكتشافات إما بالمصادفة أو عبر عقود من التجارب التدريجية. فقد استغرق انتشار البلاستيك أكثر من خمسين عاما، كما احتاجت بطاريات الليثيوم أيون إلى عقود إضافية حتى تنضج تقنيا.

الذكاء الاصطناعي وتعلم "لغة المادة"

اليوم، يقدم الذكاء الاصطناعي قطيعة هيكلية مع هذا الماضي. فمجموعة واسعة من التقنيات والنماذج التوليدية والانتشارية التي تقف خلف موجة الذكاء الاصطناعي الحالية، باتت تتدرب على تعلم ما يمكن تسميته "لغة المادة"، أي اكتشاف الأنماط داخل كميات هائلة من البيانات في الفيزياء والكيمياء وعلوم المواد، واقتراح مواد جديدة على نطاق لم يكن ممكنا من قبل.

وقد تفاعل مجتمع البحث العلمي مع هذا التحول بقوة. فبحسب تقديرات مستندة إلى تحليل أدبيات علمية، لم يتجاوز عدد الأوراق البحثية في علوم المواد التي أشارت إلى الذكاء الاصطناعي أو تعلم الآلة عام 2014 نحو 264 ورقة، بينما ارتفع هذا العدد بحلول عام 2024 إلى ما يقارب 10 آلاف ورقة.

وفي الوقت نفسه، تحركت شركات التكنولوجيا الكبرى بسرعة، فأطلقت نماذج أساسية للمواد وبرامج واسعة النطاق في هذا المجال، كما تسارع نشاط رأس المال الجريء خلال السنوات الأخيرة، ممولا جيلا جديدا من الشركات الناشئة بمئات الملايين من الدولارات لدخول هذا المجال الواعد.

خريطة منظومة الذكاء الاصطناعي والمواد

تشمل المنظومة الناشئة طيفا واسعا من الابتكارات والمقاربات التي تهدف إلى نقل تطوير المواد الجديدة من مرحلة الاكتشاف إلى الإنتاج التجاري واسع النطاق. ويمكن تقسيم هذه المنظومة إلى عدة فئات رئيسية:

أولا، النماذج الأساسية التي تعمل كمحركات بحث في عالم المادة، حيث تطور نماذج توليدية قادرة على التنبؤ بالبنى البلورية الجديدة وخصائصها. ويتطلب تدريب هذه الأنظمة قدرات حوسبية هائلة، وخبرة علمية عميقة، وعمليات تحقق تجريبية مكثفة.

ثانيا، المختبرات الذاتية أو المستقلة، وهي مختبرات روبوتية قادرة على تصميم المواد وتركيبها واختبارها بأقل تدخل بشري ممكن، ما يختصر دورة الانتقال من التنبؤ الرقمي إلى الإثبات الفيزيائي، ويرفع بشكل كبير من وتيرة الاختبارات مقارنة بالأساليب التقليدية.

ثالثا، المنصات المؤسسية التي توفر معلوماتية المواد للصناعة، حيث توحد البيانات المتفرقة، وتقترح التجارب، وتجعل أدوات الذكاء الاصطناعي المتقدمة في متناول العلماء الصناعيين لتطبيقها على تحدياتهم الخاصة.

رابعا، البنية التحتية للأجهزة الخاصة بالاستشعار والتوصيف، وهي عنق الزجاجة الأكثر حساسية، لأن البيانات التجريبية عالية الجودة والمنظمة تمثل الوقود الأساسي لتدريب أي نموذج ذكاء اصطناعي.

سوق المواد اليوم: حماسة مبكرة ونضج غير مكتمل

لا شك أننا لا نزال في المراحل الأولى من موجة تحول كبرى، وقد تكون بعض التوقعات متقدمة على النضج التجاري الفعلي. ومع ذلك، فإن هذا الحماس يعكس إمكانات حقيقية. وكما قال المفكر المستقبلي روي أمرا: غالبا ما نبالغ في تقدير أثر التكنولوجيا على المدى القصير، ونقلل من شأنه على المدى الطويل.

في السيناريو المتفائل، قد نشهد لحظة شبيهة بما حدث في مجال التقانة الحيوية، حيث أعادت الحوسبة تشكيل اكتشاف الأدوية. وبالمثل، يمكن للتصميم الحاسوبي للمواد أن يعيد صياغة صناعة المواد، محولا عملية كانت تعتمد على الصدفة إلى مسار موجه بالحسابات والنماذج.

وتشمل التطبيقات المحتملة جميع القطاعات الكبرى، من الطاقة عبر بطاريات عالية الكثافة ومواد شمسية ومحفزات للهيدروجين النظيف، إلى قطاع التنقل من خلال المواد المركبة الخفيفة والسبائك المقاومة للحرارة، مرورا بالمنتجات الاستهلاكية عبر مكونات ومواد بوليمرية تجمع بين الأداء والدائرية، وصولا إلى الإلكترونيات بفضل أشباه موصلات مرنة ومواد كمومية وطلاءات أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.

ومع تسارع وتيرة الاكتشاف بفضل الذكاء الاصطناعي، لا يعود السؤال عما إذا كانت الاختراقات ممكنة، بل عن سرعة انتقالها من التنبؤ إلى الإنتاج، ومن الإنتاج إلى الاندماج الدائري في الاقتصاد الحقيقي.

أما في السيناريو المتحفظ، فقد تظهر اختناقات في مرحلة الإنتاج. فمجال تصميم المواد الكيميائية شاسع إلى حد فلكي. ورغم قدرة الذكاء الاصطناعي على فحص ملايين الاحتمالات في ساعات، فإن تحديد بنية مستقرة لا يمثل سوى نصف الطريق. إذ إن الإنتاج الواقعي يعتمد على عوامل معقدة مثل حركية التفاعلات، ونطاقات الضغط والحرارة، وتوافر المواد الأولية، والتحكم في الشوائب.

ربط الذكاء الاصطناعي في المواد بمنظور دائري

لا يمكن فصل ابتكار المواد عن القيود الكوكبية. فأنشطة التعدين تؤثر في التنوع البيولوجي، والمواد التي تدار بشكل سيئ، مثل البلاستيك، تتحول إلى ملوثات. وتكمن القيمة الحقيقية للذكاء الاصطناعي في ربط الاكتشاف بتصميم دائري يشمل تقليل استخدام المواد، وإطالة أعمارها عبر التنبؤ بالتآكل والإجهاد، وتصميم مواد قابلة للإصلاح وإعادة الاستخدام، وتطوير مدخلات حيوية قابلة للتحلل الآمن، وإغلاق الحلقة عبر إعادة تحويل النفايات والخردة إلى مواد أولية عالية النقاء.

غير أن تحقيق الأثر الواقعي يتطلب أن تقود هذه الابتكارات إلى تقليل البصمة الإجمالية لاستخراج المواد، لا مجرد زيادة الإنتاج والنفايات. كما أن هناك تحديا إضافيا يتمثل في البصمة البيئية للذكاء الاصطناعي نفسه، إذ إن بنيته التحتية المادية من مراكز بيانات وخوادم وأنظمة تبريد تعتمد بشكل كبير على المواد والطاقة.

لذلك، فإن نجاح هذه الثورة يتطلب إلى جانب التكنولوجيا، نماذج أعمال جديدة، واستثمارات في البنية التحتية، وتطورا تنظيميا متزامنا. وعند اقتران الذكاء الاصطناعي بمنطق الدائرية، يصبح ليس فقط أداة أسرع للابتكار، بل مسارا أذكى لإعادة التجديد، بما يضمن أن المواد التي تدعم الثورة الصناعية القادمة تسهم في ترميم الكوكب بدلا من استنزافه.

وفي المحصلة، يتيح عصر الذكاء الاصطناعي فرصة غير مسبوقة لمعالجة التحدي المادي للتحول المناخي. لكن المقياس الحقيقي للنجاح لن يكون في اكتشاف مواد جديدة فحسب، بل في دمجها ضمن نظام تجديدي متكامل، مدعوم بنماذج أعمال وبنية تحتية وتشريعات منسجمة، لبناء مستقبل صناعي متجدد لا قائم على الاستخراج.