Een speciaal ontworpen verzameling tandwielen is aan de ene kant zacht en aan de andere kant stijf. Deze robuuste eigenschappen blijven zelfs behouden bij fabricagefouten. Dit opkomende onderzoek kan leiden tot nieuwe manieren om aangepaste apparaten te ontwerpen, zoals satellietvolgers of horloges, en de studie is gerapporteerd in Fysieke beoordeling X .

Stel je twee gekoppelde tandwielen voor. Door de ene met de klok mee te draaien, draait de andere tegen de klok in. Door een derde versnelling op beide aan te sluiten, loopt het systeem vast. Leidse natuurkundigen Anne Meeussen en Jayson Paulose hebben nu een complex geheel van tandwielen ontwikkeld dat op één plek blijft plakken, maar die opereert in een ander. Beschouwd als een nieuw metamateriaal, het is aan de ene kant stijf en aan de andere kant zacht.

In het onderstaande filmpje dit opmerkelijke mechanisme lijkt magisch, maar de onderzoekers hebben het wiskundig bedacht. 'Het mooie van dit principe is dat het een robuust systeem is, ' zegt groepsleider prof. Vincenzo Vitelli. 'We kunnen beslissen welke delen zacht of stijf zijn, en het mechanisme blijft werken, zelfs als de tandwielen niet perfect zijn. Deze eigenschap wordt vaak topologische robuustheid genoemd.'

Omdat de stijfheidseigenschappen inherent zijn aan het systeem, fabrikanten kunnen het principe gebruiken om mechanische apparaten zoals horloges te bouwen met goedkopere componenten, terwijl de prestaties behouden blijven. Vitelli:'Dit is misschien het beste van toepassing op volgapparatuur, zoals satellietvolgers die zijn gebaseerd op mechanismen die op tandwielen zijn gebaseerd.'

De ontwikkeling is geïnspireerd op elektronische topologische isolatoren, die in 2016 de Nobelprijs voor de natuurkunde opleverde. Ze isoleren aan de binnenkant, maar geleiden elektriciteit op hun oppervlak. En zelfs als ze onvolkomenheden hebben, de stroom zal blijven stromen. In plaats van elektronische eigenschappen, De groep van Vitelli pakt rigiditeit aan. Zijn systemen zijn star op bepaalde plaatsen en zacht op andere, ongeacht onvolkomenheden.