Je leest:

Ook zachte materialen bewegen synchroon

Ook zachte materialen bewegen synchroon

Flexibele reepjes kunststof ‘communiceren’ onderling en stemmen hun beweging op elkaar af

Auteur: | 19 februari 2021

In de zeventiende eeuw zag Christiaan Huygens dat slingeruurwerken soms synchroon gaan bewegen. Eindhovense wetenschappers hebben dit verschijnsel nu ook aangetoond bij lichtgevoelige reepjes kunststof. Die flapperen eerst willekeurig, maar gaan al snel netjes gelijk bewegen.

Uitloper van een komkommerplant. Planten vormen een belangrijke inspiratiebron voor de ontwikkeling van nieuwe, zachte materialen die gevoelig zijn voor signalen uit de omgeving en meerdere functies kunnen vervullen.

Robots zijn er in allerlei soorten en maten, maar ze bestaan vrijwel allemaal uit meerdere onderdelen die zijn gemaakt van harde materialen, zoals metaal of kunststoffen. Ze zijn daardoor relatief zwaar en nogal houterig in hun bewegingen. Bovendien draaien ze op elektriciteit en zijn er dus batterijen, accu’s of zonnepanelen nodig die voor extra gewicht zorgen. Tegenover deze klassieke robots staan de zogeheten soft robotics. Dit zijn kleine robots gemaakt van zachte, flexibele en elastische materialen. Deze zachte robots zien er heel anders uit dan hun stalen tegenhangers. Het zijn bijvoorbeeld reepjes kunststof of gel-achtige bolletjes, zoals gummiberen.

Een belangrijk voordeel van zachte materialen is hun flexibiliteit en elasticiteit, waardoor ze tijdelijk van vorm kunnen veranderen. Zachte robotjes kunnen zich daardoor veel beter verplaatsen in een moeilijk begaanbaar of onbekend terrein. Denk aan ondergrondse en onderzeese gebieden of ingewikkelde buizenstelsels in gebouwen. Een ander groot voordeel is dat deze robots zonder externe stroomtoevoer kunnen. De gewenste eigenschappen zitten in het materiaal ‘geprogrammeerd’. Dus bekabeling, batterijen, zonnepanelen of andere zware en onhandige componenten zijn overbodig.

Deze kleine robotjes werken het best in groepen, net zoals een zwerm insecten of vogels. Of zoals we inmiddels kennen van heel kleine, (vliegende) drones. Maar om een groep zachte robotjes zinvol te laten werken moeten ze ook onderling kunnen communiceren en hun bewegingen coördineren. Omdat ze geen elektrische componenten zoals chips of antennes bevatten, moet die communicatie anders verlopen. Wetenschappers van de Technische Universiteit Eindhoven laten in tijdschrift Nature Materials zien dat ook zachte materialen in staat zijn om hun bewegingen op elkaar afstemmen. En dat lijkt heel erg op wat de zeventiende eeuwse Nederlandse wetenschapper Christiaan Huygens zag gebeuren bij slingeruurwerken.

Gevoelige materialen

Christiaan Huygens (1629-1695) geldt als een van de belangrijkste Nederlandse wetenschappers. Hij verrichtte baanbrekend werk in de wis-, natuur- en sterrenkunde en zorgde als uitvinder ook voor talloze technische vernieuwingen. Portret uit 1671 door Caspar Netscher, collectie Haags Historisch Museum, te zien in Museum Boerhaave.

Zachte robots hebben alleen het materiaal waar ze uit bestaan. Dat materiaal moet dus gevoelig zijn voor veranderingen (denk aan licht, temperatuur, zuurgraad of luchtvochtigheid) in de omgeving. De materialen moeten die signalen herkennen en verwerken en vervolgens hun gedrag en eigenschappen aanpassen. Net zoals levende materialen in de natuur. Bijvoorbeeld zonnebloemen, die meedraaien met het zonlicht of vleesetende planten die zich sluiten zodra ze de druk voelen van een vlieg die op ze is geland. NEMO Kennislink schreef eerder al kunstmatige imitaties van zulke levende materialen, zoals over lichtgevoelige reepjes die zich oprollen tot kurkentrekkers en zo kleine gewichtjes kunnen verplaatsen of die zichzelf als een rups voortbewegen door zich afwisselend samen te trekken en weer los te laten.

“Maar in de natuur zien we nog iets, namelijk collectief gedrag”, zegt chemicus Ghislaine Vantomme, assistant professor aan de Technische Universiteit Eindhoven en eerste auteur van het artikel in Nature Materials. Ze doelt op de gecoördineerde beweging van hartspiercellen of de onderlinge afstemming tussen cellen waardoor we een biologische klok hebben. De vraag voor Vantomme en collega’s was daarom of ook niet-levende materialen hun bewegingen op elkaar kunnen afstemmen. “Voor harde materialen weten we dat natuurlijk al heel lang. Christiaan Huygens beschreef al in het midden van de zeventiende eeuw zijn waarneming dat twee klokken met een slingeruurwerk na verloop van tijd synchroon gaan bewegen. Later is dat ook aangetoond voor metronomen [een instrument dat het tempo in muziek aangeeft, red.]”

Demonstratie met metronomen. Eerst bewegen ze allemaal in hun eigen ritme, maar door een kleine verandering in de opstelling gaan ze al snel synchroon bewegen. Credits: Harvard University/Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Vertraagd afspelen

Voor zowel de slingeruurwerken als de metronomen geldt dat ze los op hetzelfde oppervlak moeten staan. Het oppervlak fungeert als het communicatiemiddel tussen de klokken en metronomen, waardoor de verschillende trillingen bewegen die uiteindelijk opgaan in een gezamenlijk ritme. Dat principe kopieerde Vantomme door een reep van een lichtgevoelige kunststof bijna doormidden te knippen. Zo ontstaan twee reepjes die aan één kant nog net met elkaar zijn verbonden.

Screenshot uit de sterk vertraagde opname van de bewegende reepjes.
G. Vantomme/TUE

Op de twee verbonden reepjes liet ze uv-licht schijnen en het resultaat verblufte haar. “De reepjes flapperden eerst in hun eigen ritme, maar al snel was het een synchroon geheel, waarbij ze óf precies gelijk bewogen dus allebei naar boven en allebei naar beneden óf precies tegengesteld, de een boven en de ander beneden. Ze bewegen heel snel, dus we moesten de opnames vertraagd afspelen, maar het was geweldig om te zien.” Een sterk vertraagde opname van de bewegende reepjes is te zien via de website van de TU Eindhoven.

Vloeibare kristallen

Het materiaal dat Vantomme gebruikt, bestaat uit een netwerk van vloeibare kristallen die heel specifiek zijn geordend. Door een stukje ervan met uv-licht te bestralen, wordt het materiaal op die plek iets verwarmd waardoor de moleculen in het netwerk zich iets anders ordenen. Dat zorgt voor spanning in het materiaal omdat alles onderling is verbonden en de moleculen aan de onverlichte, koude kant op hun plek willen blijven. Het gevolg is dat het reepje kromtrekt en over zichzelf heen buigt.

Op een gegeven moment buigt het reepje zo ver, dat het de invallende lichtbundel blokkeert. Het reepje zet zichzelf als het ware in de schaduw, waardoor het materiaal daar afkoelt en de spanning verdwijnt. Het reepje krult terug naar de originele positie. Maar dan kan het licht er weer op vallen en begint het proces opnieuw. Het resultaat is een snelle, maar heel constante, trillende beweging die eindeloos doorgaat zolang er licht is.

Nu blijkt dus dat twee reepjes van dit materiaal gezamenlijk gaan bewegen. Had Vantomme dat echt niet verwacht? “Ja en nee. Ja, omdat de natuurkundige principes die verklaren waarom we dit in harde materialen zien, nog steeds gelden. Dus waarom zouden we het hier niet zien? En nee, omdat het toch heel andere materialen zijn. Ze zijn elastisch en flexibel. Bovendien had nog niemand dit eerder laten zien, voor zover ik weet. Je hebt uiteindelijk een experiment nodig om het zeker te weten.”

Uitgelicht door de redactie

Klimaatwetenschappen
Een duurzame kledingkast begint bij één vezel

Economie
Wat zit er in je schoen?

Informatica
Nieuwe aanpak berekent eerlijke prijs zonder kinderarbeid

Trappelende beentjes

De reepjes kunnen gelijk of tegengesteld flapperen. Wat bepaalt dat? “Dat weten we nog niet. We zien dat de reepjes even op gang moeten komen voordat ze hun constante ritme vinden en vervolgens synchroon gaan trillen. Ik denk dat het te maken heeft met de stand van de reepjes op het moment dat ze ‘opgewarmd’ zijn. Als ze dan bij elkaar staan, gaan ze gelijk bewegen, staan ze net uit elkaar dan blijven ze tegengesteld bewegen. Maar daar heb ik geen hard bewijs voor op dit moment.”

Vantomme ziet dit resultaat vooral als een mooie demonstratie van een principe: ook zachte materialen zijn in staat tot onderlinge afstemming en collectief gedrag. Daarnaast laten deze experimenten zien dat ook een flexibel materiaal informatie kan doorgeven, wat weer interessant is voor de ontwikkeling van zachte robots met nieuwe functies. Ze hoopt dat andere onderzoekers nu aan de slag gaan om nieuwe variaties en toepassingen te bedenken. Zelf gaat ze proberen of ze deze materialen in water aan de praat kan krijgen. “Ik zie dan een soort robotje voor me dat zwemt, met twee van die afwisselend trappelende beentjes. Als dat lukt, kunnen we vast allerlei toepassingen verzinnen.”

Bron:

G. Vantomme, L.C.M. Elands, A.H. Gelebart, E.W. Meijer, A.Y. Pogromsky, H. Nijmeijer, D.J. Broer, Coupled liquid crystalline oscillators in Huygens’s synchrony, Nature Materials (2021), doi:10.1038/s41563-021-00931-6

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 februari 2021

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.