Recente ontwikkelingen in voorgeprogrammeerde architectonische materialen kunnen nieuwe functies mogelijk maken die kunnen evolueren als reactie op hun omgeving of externe stimuli, volgens onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

In een paper gepubliceerd door Nature Reviews Materials LLNL-onderzoekers geven een overzicht van de vooruitgang die is geboekt in responsieve architectonische materialen die in een bepaalde vorm kunnen veranderen en nieuwe eigenschappen kunnen vertonen bij blootstelling aan hitte, magnetische of elektrische krachten, chemische of elektrochemische reacties en mechanische vervormingen. De auteurs leggen ook de programmeer- en transformatiemechanismen van elke benadering uit en onderzoeken mogelijke toepassingen, waaronder implanteerbare medische apparaten, robotica en chemische of mechanische sensoren. Het tijdschrift zal het papier op de omslag van een aanstaande gedrukte editie plaatsen.

"Additive manufacturing heeft het mogelijk gemaakt om architectonische materialen te creëren die verbeterde eigenschappen en nieuwe functionaliteit hebben in vergelijking met de samenstellende materialen vanwege hun zorgvuldig ontworpen interne en externe structuren", zegt LLNL-stafwetenschapper en hoofdauteur Xiaoxing Xia. "Deze responsieve architectonische materialen stagneren niet na fabricage; ze kunnen evolueren in ruimte en tijd volgens een geprogrammeerd traject en kunnen reageren op verschillende vormen van stimuli - of het nu mechanisch, thermisch, elektromagnetisch of chemisch is - en hun vorm transformeren, eigenschappen veranderen of navigeren autonoom."

Xia en team beoordelen de huidige staat van responsieve architectonische materialen en vergelijken responsieve materialen met dynamische fenomenen die worden aangetroffen in klassieke materialen, zoals fasetransformatie en topologische isolatoren, en beschrijven ze in het kader van berekening en machine learning. Gebouwde materialen kunnen niet alleen voorgeprogrammeerde mechanische logica uitvoeren, maar kunnen ook worden getraind en geoptimaliseerd door machine learning.

Diepe neurale netwerken zijn "potentieel aan het transformeren" voor het ontwerpen van materialen met superieure mechanische of elektromagnetische reacties, aldus onderzoekers. Deep-learning algoritmen zouden bijvoorbeeld kunnen trainen op afbeeldingen van geometrieën en deze kunnen gebruiken om nieuwe structuren te genereren met geoptimaliseerde prestaties, of ontworpen materialen te ontwerpen die 3D-geprint kunnen worden en fungeren als fysieke kernen om inferentietaken uit te voeren, zoals handgeschreven nummer of klinker spraakherkenning - in realtime als reactie op geluid of licht, concludeerden ze.

In de toekomst zouden responsieve architectonische materialen hun weg kunnen vinden naar implanteerbare medische apparaten, als voertuigen voor medicijnafgifte, in "cloaking" -technologieën of autonome robots, of worden gebruikt om gevoelige informatie op aanvraag op te slaan of te onthullen, aldus onderzoekers. Ze speculeren dat dergelijke materialen op een dag zouden kunnen evolueren om te leren van eerdere of huidige ervaringen, net zoals het menselijk brein.

"Gebouwde materialen worden steeds intelligenter en in de toekomst kunnen ze neuromorf zijn, wat betekent dat ze de structuur en functie van de hersenen kunnen nabootsen," zei Xia. "Hier stellen we de vraag:'Wat als ze bewust zouden kunnen worden door een voorkeur te ontwikkelen voor bepaalde stimuli boven andere, wat analoog is aan het voelen van geluk of pijn?' Ze zouden een modelsysteem kunnen zijn voor het bestuderen van de hersenen."

Julia Greer, een professor en materiaalwetenschapper aan het California Institute of Technology, was een van de co-auteurs van het artikel. Ze zei dat ze zich een toekomst voorstelt waarin op nanoschaal ontworpen materialen conventionele materialen op veel gebieden van het dagelijks leven vervangen en op een dag zelfs een bepaald niveau van bewustzijn kunnen bereiken.

"Om deze visie te realiseren dat architectonische materialen alomtegenwoordig zijn in de samenleving - niet alleen gebruikt in wetenschap en techniek - hebben we nieuwe, efficiëntere en nauwkeurigere rekenmodellen nodig die de mechanica en fysica van additieve productie kunnen vastleggen tegen een betaalbare prijs," zei Greer . "Wetende dat er veel getalenteerde mensen zijn die aan deze problemen werken, kijk ik uit naar de dag waarop we architectonische materialen en apparaten kunnen maken die doordrenkt zijn met het vermogen om zelf beslissingen te nemen." + Verder verkennen

Video:kleine vormveranderende polymeren ontwikkeld voor potentiële medische toepassingen