In de afgelopen 20 jaar, wetenschappers hebben metamaterialen ontwikkeld, of materialen die niet van nature voorkomen en waarvan de mechanische eigenschappen het gevolg zijn van hun ontworpen structuur in plaats van hun chemische samenstelling. Hiermee kunnen onderzoekers materialen maken met specifieke eigenschappen en vormen. Metamaterialen worden nog steeds niet veel gebruikt in alledaagse voorwerpen, maar dat zou snel kunnen veranderen. Tian Chen, een postdoc bij twee EPFL-labs:het Flexible Structures Laboratory, onder leiding van Pedro Reis, en het Geometrisch Computerlaboratorium, onder leiding van Mark Pauly - heeft metamaterialen een stap verder gebracht, het ontwikkelen van een waarvan de mechanische eigenschappen kunnen worden geherprogrammeerd nadat het materiaal is gemaakt. Zijn onderzoek verschijnt in Natuur .

Een enkel materiaal met verschillende mechanische functies

"Ik vroeg me af of er een manier was om de interne geometrie van de structuur van een materiaal te veranderen nadat het is gemaakt, ", zegt Chen. "Het idee was om een ​​enkel materiaal te ontwikkelen dat een reeks fysieke eigenschappen kan vertonen, zoals stijfheid en kracht, zodat materialen niet telkens vervangen hoeven te worden. Bijvoorbeeld, als je je enkel verdraait, je moet in eerste instantie een stijve spalk dragen om de enkel op zijn plaats te houden. Dan als het geneest, u kunt overschakelen naar een meer flexibele. Vandaag moet je de hele spalk vervangen, maar de hoop is dat op een dag, een enkel materiaal kan beide functies vervullen."

Silicium en magnetisch poeder

Chen's metamateriaal is gemaakt van silicium en magnetisch poeder en heeft een gecompliceerde structuur waardoor mechanische eigenschappen kunnen variëren. Elke cel in de structuur gedraagt ​​zich als een elektrische schakelaar. "Je kunt individuele cellen activeren en deactiveren door een magnetisch veld aan te leggen. Dat verandert de interne toestand van het metamateriaal, en bijgevolg de mechanische eigenschappen ervan, ", zegt Chen. Hij legt uit dat zijn programmeerbare materiaal analoog is aan computerapparaten zoals harde schijven. Deze apparaten bevatten stukjes data die in realtime kunnen worden geschreven en gelezen. De cellen in zijn programmeerbare metamateriaal, genaamd m-bits, werken als de bits op een harde schijf:ze kunnen worden ingeschakeld, het materiaal stijver maken, of uit, flexibeler maken. En onderzoekers kunnen verschillende combinaties van aan en uit programmeren om het materiaal precies de mechanische eigenschappen te geven die ze op elk moment nodig hebben.

Om zijn materiaal te ontwikkelen, Chen putte uit methoden uit zowel de informatica als de werktuigbouwkunde. "Dat maakt zijn project zo bijzonder, " zegt Pauly. Chen besteedde ook een aanzienlijke hoeveelheid tijd aan het testen van zijn materiaal in elk van zijn verschillende toestanden. Hij ontdekte dat het inderdaad geprogrammeerd kon worden om verschillende graden van stijfheid te bereiken, vervorming en sterkte.

Veel onderzoekshorizons

Programmeerbare metamaterialen zijn verwant aan machines, zoals robots, die ingewikkelde, energie-intensieve elektronische mechanismen. Met zijn onderzoek Chen streeft naar de juiste balans tussen statische materialen en machines. Reis ziet veel potentie voor verder onderzoek met Chen's technologie. "We zouden een methode kunnen ontwerpen om 3D-structuren te maken, aangezien wat we tot nu toe hebben gedaan alleen in 2D is, " Zegt Reis. "Of we kunnen de schaal verkleinen om nog kleinere metamaterialen te maken." De ontdekking van Chen markeert een fundamentele stap voorwaarts, omdat het de eerste keer is dat wetenschappers een echt herprogrammeerbaar mechanisch metamateriaal hebben ontwikkeld. Het opent vele spannende wegen voor onderzoek en geavanceerde industriële toepassingen.