AMOLF-onderzoekers bestuderen driedimensionale prismatische structuren die verschillende vormen kunnen aannemen met als doel metamaterialen te produceren die meerdere eigenschappen hebben. Onderzoekers hebben een nieuwe manier gevonden om de vervormingen in dergelijke structuren te simuleren, en daarbij, ze ontdekten een breed scala aan onverwachte vormen. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het is fundamenteel wiskundig onderzoek maar ook heel tastbaar. Op het bureau ligt een complex, origami-achtige constructie gemaakt van plastic vierkanten. Echter, wanneer gecomprimeerd, het klapt op en vormt een compacte structuur die meer lijkt op een flatgebouw met vier torens. Welke vormen de structuur kan aannemen, wordt voorspeld door een nieuwe rekenmethode ontwikkeld door AMOLF-onderzoekers Agustin Iniguez-Rabago, Yun li en Bas Overvelde van de groep Soft Robotic Matter.

De structuur is een model voor een driedimensionaal mechanisch metamateriaal, die met de hand werd gebouwd door Iniguez-Rabago. Aanvullend, het materiaal is multistabiel, wat betekent dat het verschillende vormen kan behouden zonder er kracht op uit te oefenen.

"Je herinnert je misschien nog de zogenaamde Slap Wrap-armbanden die je om je pols kon gooien en die zowel in een rechte als in een ronde vorm stabiel waren, ", zegt AMOLF-groepsleider Overvelde. "De structuren die we hebben onderzocht vertonen vergelijkbaar gedrag, maar met veel meer mogelijkheden." niet alle materialen waar de onderzoekers mee werken zijn op deze manier intuïtief te begrijpen, zegt Iniguez-Rabago. "Voor sommige constructies we hadden niet verwacht dat ze multistabiel gedrag zouden vertonen. Ik was verbaasd dat dit gewoon uit ons nieuwe computeralgoritme rolde."

Mini-robots

Metamaterialen hebben bijzondere eigenschappen die naast het materiaal waarvan ze gemaakt zijn ook afhankelijk zijn van hun vorm. Er zijn veel toepassingen mogelijk als onderzoekers goed begrijpen hoe de vorm de eigenschappen bepaalt. Deze materialen kunnen vervolgens worden gebruikt als minirobots of systemen om energie op te slaan, bijvoorbeeld. “We hebben constructies op centimeterschaal gebouwd om te controleren of onze berekeningen kloppen. het onderliggende mechanische gedrag moet ook toepasbaar zijn op veel kleinere of grotere schaal, ', zegt Overvelde.

Met behulp van hun model, de onderzoekers wisten grote hoeveelheden driedimensionale modellen door te rekenen. Iniguez-Rabago zegt, "We willen weten hoeveel stabiele vormen een bepaald ontwerp heeft. Tot nu toe mensen gebruikten vaak een tweedimensionaal model en probeerden dat zo precies mogelijk te beschrijven. Echter, er is veel meer mogelijk met onze nieuwe rekenmethode. We kunnen nu driedimensionale metamaterialen onderzoeken die zeer complex gedrag vertonen dat moeilijk te voorspellen is."

Flexibele oppervlakken

De onderzoekers hebben twee belangrijke keuzes gemaakt om de simulaties te realiseren. De eerste was door de oppervlakken van de structuren enigszins flexibel te maken. Dit zorgde voor een gemakkelijkere overgang van de ene vorm naar de andere, wat resulteert in stabielere vormen per constructie. De tweede keuze was om de computer niet willekeurig alle mogelijke vormen te laten berekenen, maar alleen unieke combinaties van uitgeoefende krachten op de scharnieren. "In zekere zin we knijpen op verschillende manieren in een structuur en kijken of de structuur naar een andere vorm springt; het lijkt erg op hoe je experimenten zou uitvoeren." Dit maakt de berekeningen veel eenvoudiger. "Met deze aanpak, we vonden soms meer dan 100 stabiele vormen voor één structuur, ', zegt Iniguez-Rabago.

Gecontroleerde beweging

De onderzoekers hebben hun simulaties geverifieerd door de structuren te vervaardigen en experimenten uit te voeren. Nutsvoorzieningen, ze gaan nog een stap verder. Door een enkel scharnier lichtjes te bewegen (door een enkele ballon in het model op te blazen), ze kunnen de vorm van de hele structuur drastisch veranderen. "We kunnen dit idee gebruiken in latere toepassingen, " legt Iniguez-Rabago uit. "Met responsieve materialen zoals hydrogels, we kunnen een structuur bouwen op een veel kleinere schaal en bepalen hoe deze beweegt. Dat is ons uiteindelijke doel."