Wetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) en het California Institute of Technology (Caltech), Verenigde Staten, hebben een nieuw type 'maliënkolder'-stof ontwikkeld die flexibel is als stof, maar op verzoek kan verstijven.

De lichtgewicht stof is 3D-geprint van nylon plastic polymeren en bestaat uit holle octaëders (een vorm met acht gelijke driehoekige vlakken) die in elkaar grijpen.

Wanneer de zachte stof is verpakt in een flexibele plastic envelop en vacuüm verpakt, het verandert in een stijve structuur die 25 keer stijver of moeilijker te buigen is dan wanneer hij ontspannen is. Het fysieke principe erachter heet " jamming overgang ", vergelijkbaar met het verstijvingsgedrag in vacuümverpakte zakken rijst of bonen.

Bekend als 'draagbare gestructureerde stoffen', de ontwikkeling kan de weg vrijmaken voor slimme stoffen van de volgende generatie die kunnen uitharden om een ​​gebruiker te beschermen tegen een impact of wanneer extra draagvermogen nodig is.

Mogelijke toepassingen zijn kogelvrije of steekwerende vesten, configureerbare medische ondersteuning voor ouderen, en beschermende exoskeletten voor high-impact sporten of werkplekken zoals bouwplaatsen.

Vandaag gepubliceerd in Natuur , dit interdisciplinaire onderzoek is het resultaat van een samenwerking tussen experts in werktuigbouwkunde en geavanceerde productie.

Hoofdauteur van het artikel, Nanyang-assistent-professor Wang Yifan, zei dat hun onderzoek zowel fundamentele betekenis als industriële relevantie heeft en dat het zou kunnen leiden tot een nieuwe platformtechnologie met toepassingen in medische en robotsystemen die de samenleving ten goede kunnen komen.

"Met een speciaal ontworpen stof die lichtgewicht en afstembaar is - gemakkelijk te veranderen van zacht naar stijf - kunnen we het gebruiken om tegemoet te komen aan de behoeften van patiënten en de vergrijzende bevolking, bijvoorbeeld, om exoskeletten te maken die hen kunnen helpen staan, lasten dragen en hen helpen bij hun dagelijkse taken, " zei Asst. Prof. Wang van NTU's School of Mechanical and Aerospace Engineering, die dit onderzoek begon toen hij postdoc-onderzoeker was bij Caltech.

"Geïnspireerd door oude maliënkolders, we gebruikten plastic holle deeltjes die in elkaar grijpen om de stijfheid van onze afstembare stoffen te verbeteren. Om de stijfheid en sterkte van het materiaal verder te vergroten, we werken nu aan stoffen gemaakt van verschillende metalen waaronder aluminium, die kunnen worden gebruikt voor grootschalige industriële toepassingen die een hoger laadvermogen vereisen, zoals bruggen of gebouwen."

Corresponderende auteur van het artikel, Professor Chiara Daraio, Caltech's G. Bradford Jones hoogleraar werktuigbouwkunde en toegepaste natuurkunde, zei, "We wilden materialen maken die de stijfheid op commando kunnen veranderen. We willen een stof maken die op een controleerbare manier van zacht en opvouwbaar naar stijf en dragend gaat."

Een voorbeeld uit de populaire cultuur is de cape van Batman in de film uit 2005 Batman begint , die over het algemeen flexibel is maar naar believen stijf kan worden gemaakt wanneer de caped crusader het als zweefvliegtuig nodig heeft.

De wetenschap achter de in elkaar grijpende stof

Het wetenschappelijke concept achter de variabele stijfheidsstof wordt "jamming transition" genoemd. Dit is een overgang waarbij aggregaten van vaste deeltjes overschakelen van een vloeistofachtige zachte toestand naar een vaste stofachtige starre toestand, met een lichte toename van de pakkingsdichtheid. Echter, typische vaste deeltjes zijn meestal te zwaar en bieden onvoldoende trekweerstand voor draagbare toepassingen.

In hun onderzoek hebben de auteurs ontwierpen gestructureerde deeltjes - waarbij elk deeltje is gemaakt van holle frames - in de vorm van ringen, ovalen, vierkanten, kubussen, piramides en verschillende vormen van octaëders die vervolgens in elkaar grijpen. Deze structuren, bekend als topologisch in elkaar grijpende structuren, kan vervolgens worden gevormd tot maliënkolderweefsel met een lage dichtheid en toch een hoge trekstijfheid, met behulp van de modernste 3D-printtechnologie om ze als één stuk af te drukken.

Vervolgens hebben ze het aantal gemiddelde contactpunten per deeltje gemodelleerd en hoeveel elke structuur zal buigen als reactie op de hoeveelheid uitgeoefende spanning. Het team ontdekte dat door de deeltjesvorm aan te passen, er was een afweging tussen hoeveel gewicht de deeltjes zullen hebben en hoeveel de stof kan buigen, en hoe de twee factoren in evenwicht te brengen.

Om een ​​manier toe te voegen om de stijfheid van de stof te regelen, het team heeft de maliënkolder in een flexibele plastic envelop ingekapseld en de stoffen met behulp van een vacuüm gecomprimeerd, die druk van buitenaf uitoefent. De vacuümdruk verhoogt de pakkingsdichtheid van de stof, waardoor elk deeltje meer contact heeft met zijn buren, resulterend, voor de op octaëder gebaseerde stof, in een structuur die 25 keer stijver is. Wanneer gevormd tot een flat, tafelvormige structuur en vacuüm vergrendeld, de stof kan een belasting van 1,5 kg dragen, meer dan 50 keer het eigen gewicht van de stof.

In een ander experiment, het team liet een kleine stalen bal vallen (30 gram, met een diameter van 1,27 cm) op de maliënkolder met 3 meter per seconde. De impact vervormde de stof tot 26 mm wanneer deze ontspannen was, maar met slechts 3 mm toen het verstijfd was, een zes keer kleinere penetratiediepte.

Om de mogelijkheden van hun stofconcept te laten zien met behulp van ander bronmateriaal, het team heeft de maliënkolder in 3D geprint met aluminium en heeft aangetoond dat het dezelfde flexibiliteit en 'zachte' prestaties heeft als nylon wanneer het ontspannen is, en toch kan het ook worden 'vastgeklemd' in structuren die veel stijver zijn in vergelijking met nylon vanwege aluminium's hogere stijfheid en sterkte.

Deze metalen maliënkolders kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals kogelvrije vesten, waar ze moeten beschermen tegen harde en snelle stoten van scherpe voorwerpen. In zo'n geval, het inkapselings- of envelopmateriaal kan worden gemaakt van aramidevezels, algemeen bekend als Kevlar, gebruikt als stof in kogelvrije vesten.

Vooruit gaan, het team wil de materiaal- en weefselprestaties van hun maliënkolder verbeteren en meer methoden verkennen om deze te verstijven, zoals door magnetisme, elektriciteit of temperatuur.