Je leest:

Smiley als begin van een materiaalrevolutie

Smiley als begin van een materiaalrevolutie

Nederlandse wetenschappers maken ‘programmeerbaar metamateriaal’

Auteur: | 29 juli 2016

Met een ingenieuze geprinte kubus laten Nederlandse wetenschappers zien dat ze een flexibel materiaal kunnen voorprogrammeren om specifiek op ‘indrukken’ te reageren. Ze maakten een kubus die onder druk een smiley tevoorschijn tovert. Maar er liggen ook serieuze toepassingen in het verschiet, zoals perfect aansluitende protheses en schoenzolen.

Doorgaans is het voorspelbaar wat er gebeurt als je in een zacht materiaal knijpt, zoals een rubberen bal die je boven en onder indrukt. Terwijl de boven- en de onderkant indeuken komen de zijkanten juist naar buiten. Met wat ingenieurswerk kun je ook iets maken dat aan de zijden juist indeukt als je er boven en onder in knijpt.

Kubus smiley
Druk op de boven- en onderkant van deze kubus en er verschijnt een lachende smiley.
AMOLF

Wetenschappers van de Universiteit Leiden, het Amsterdamse AMOLF-instituut en de Universiteit van Tel Aviv hebben nu een flexibele kubus gefabriceerd die op een unieke manier reageert op een stevige kneep. Druk er aan de boven- en onderkant op en er verschijnt aan een van de zijden een lachende smiley. Sommige delen bewegen naar buiten, terwijl andere delen netjes op hun plek blijven.

Lollig, zo’n gezichtje, maar volgende de wetenschappers heeft deze wonderlijke kubus aardig wat toepassingen. Doordat het materiaal volledig ‘programmeerbaar’ is en zo op commando een specifieke vorm aan kan nemen, is het misschien wel de basis voor perfect aansluitende en beweegbare protheses of schoenzolen. Het wetenschappelijke tijdschrift Nature ziet de potentie ook en publiceerde het onderzoek deze week.

Samenspel van voxels

Het verschijnende patroon op de buitenkant van het rubberen materiaal is het gevolg van een samenspel van kubusvormige elementjes waaruit het is opgebouwd. Ieder van deze elementjes, ook wel voxels genoemd, reageert op een indrukking door andere zijdes die in- of uitdeuken. Daarbij beïnvloeden ze de aangrenzende voxels. De smiley-kubus bestaat uit tien bij tien bij tien van deze voxels, in totaal dus duizend elementjes.

Voxels
De elementen (voxels) waaruit het buigbare metamateriaal is opgebouwd. De afzonderlijke elementjes deuken aan de zijkant uit als er bovenop gedrukt wordt. Links en midden een element in twee verschillende posities. Rechts verschillende elementen bij elkaar; in het uiteindelijke materialen sluiten ze perfect op elkaar aan.
AMOLF

De kunst is om ieder van deze elementjes in het materiaal zo te positioneren en oriënteren dat ze goed op elkaar aansluiten: de buurman van een uitdeukend kubusje moet zelf juist índeuken. Zou je de voxels willekeurig oriënteren dan komen er onvermijdelijk twee uitdeukende exemplaren naast elkaar en krijg je iets wat de wetenschappers een ‘gefrustreerde’ kubus noemen. Er ontstaan dan spanningen in het materiaal. “Het gedrag van de kubus wordt onvoorspelbaar en zo krijg je een vormloos en oncontroleerbaar materiaal”, zegt Martin van Hecke, professor Organisation of disordered matter van de Universiteit Leiden die bij het onderzoek betrokken was.

Die voorspelbaarheid van de vervorming, daar ging het de wetenschappers juist om. Ze creëerden een algoritme waarmee ze zo’n kubus kunnen doorrekenen en ontwerpen, zodat de voxels aan de buitenkant uiteindelijk precies naar wens uitdeuken. Bekleed je een zijde bijvoorbeeld helemaal met dezelfde elementjes dan krijg je een schaakbordpatroon: om en om deuken ze in en uit.

Maar de wetenschappers uit Amsterdam, Leiden en Tel Aviv wilden meer. Van Hecke zegt: “Als je een van die voxels omdraait dan verandert het patroon dat je ziet. Zo kun je gaan bouwen, mits alle voxels in de kubus netjes op elkaar passen. In het geval van de smiley betekent het dat er in de laag direct onder de smiley wéér een smiley zit, zij het ‘negatief’.”

Kubus
In dit onderzoek werkten de wetenschappers met een kubus, maar het kan in principe elke willekeurige andere vorm hebben.
AMOLF

Printen

Het complexe interieur van de kubus zorgt ervoor dat hij niet of nauwelijks op een ‘klassieke’ manier te bouwen is. Van Hecke en collega’s maakten daarom gebruik van een 3D-printer, die het zachte materiaal laagje voor laagje opbouwt. “Dat printen van zachte materialen was overigens nog redelijk onontgonnen gebied, enkele jaren geleden toen we begonnen met het onderzoek”, zegt Van Hecke. “We hebben daarvoor ook zelf printers ontwikkeld. Maar inmiddels maken we gebruik van commerciële 3D-printers.”

Goedkoop is dat overigens niet. “Onze kubus kostte al gauw zo’n 1500 euro om te printen. Mocht je nog grotere materialen willen maken, dan lopen de kosten snel op. Maar dat probleem is overkomelijk, de ontwikkelingen gaan ontzettend snel op het gebied van 3D-printen.” Het is misschien ook wel logischer dat de materialen juist kléiner worden. Met kleine voxels kan ook een meer verfijnde respons van het materiaal worden gegenereerd. Van Hecke is ervan overtuigd dat iemand binnenkort een verkleinde versie gaat printen. “Onze designs zijn gewoon toegankelijk”, zegt hij.

Protheses en schoenzolen

Zoals gezegd zijn er verschillende toepassingen te bedenken voor deze kneedbare metamaterialen. Van Hecke denkt dat dit als eerst zal gebeuren in de medische hoek, zij het pas over enkele jaren. “Het menselijk lichaam kan complexe bewegingen maken en bovendien veranderen lichaamsdelen daarbij van vorm”, zegt hij. “Ik kan me voorstellen dat je met een dergelijk materiaal een perfect aansluitende prothese voor een stomp kunt ontwerpen. Of een schoenzool die de ideale ondersteuning tijdens het afwikkelen geeft. We hebben hiervoor al contacten gelegd met ontwerpers van Technische Universiteit Delft die weer een sterke connectie met de industrie hebben.”

De kubus in actie, samen met uitleg van de wetenschappers (Engels).

Bron

  • Coulais C. et al., Combinatorial design of textured mechanical metamaterials, Nature (28 juli 2016), DOI:10.1038/nature18960
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 29 juli 2016

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.