Foldbare rekonfigurerbare materialer:Værktøjssæt til design af metamaterialer med programmerbar form og funktion

Under sin ph.d. -forskning ved Harvard University, AMOLF -gruppeleder Bas Overvelde udviklede en smart metode til at designe og undersøge nye metamaterialer. For sådanne materialer bestemmer mikrostrukturen funktionen, frem for den molekylære sammensætning. Det ideelle metamateriale ændrer form autonomt for at opnå den ønskede funktionalitet. Overvelde og hans amerikanske kolleger udviklede et værktøjssæt til at designe sådanne metamaterialer, der kan antage forskellige former på en måde, der minder om origami. De offentliggjorde deres forskning den 19. januar 2017 i Natur .

I tilfælde af mange metamaterialer, den unikke mikrostruktur er det, der gør dem velegnede til en bestemt opgave, f.eks. afbøjning eller ledning af lys eller lyd, eller dæmpning af vibrationer. "Vores ideal var at designe metamaterialer, der kan antage forskellige tredimensionelle strukturer og derfor har fleksibel funktionalitet, "siger Bas Overvelde, der opnåede sin doktorgrad i 2016 under vejledning af professor Katia Bertoldi ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Origami-lignende

Overvelde og Bertoldi samarbejdede med designere om at udvikle en strategi til systematisk at tackle designet af rekonfigurerbare metamaterialer. Grundformen i designet er en almindelig polyeder, hvori der altid placeres firkantede eller retvinklede overflader på ribbenene, så der opstår en tredimensionel struktur, der minder om en foldet origami-form. Overvelde:"Strukturen kan foldes i kanterne mellem to overflader. Forholdet mellem overfladernes stivhed og foldelinierne bestemmer adfærden af ​​det endelige metamateriale og derfor hvor enkelt materialet kan ændre form."

Stivhed

Forskerne udviklede en model, hvor de brugte enkle matematiske former til at designe en mangfoldighed af forskellige strukturer og identificere deres mulige konfigurationer. For nogle metamaterialer opnået ved hjælp af deres designstrategi, forskerne byggede 3D-strukturer med papoverflader og foldelinier af dobbeltsidet tape. Selvom disse modelstrukturer blot var beregnet til at illustrere konceptet, de viste ikke desto mindre tydeligt de imponerende måder, hvorpå disse materialer kan ændre form.

"Styrken ved vores model er, at den er helt skalerbar, "siger Overvelde." Det er ligegyldigt, om det endelige materiale er meter højt eller på nanometers skala. Så længe forholdet mellem stivheden af ​​overfladerne og hængslerne forbliver konstant, formen - og derfor funktionaliteten - ændres på samme måde. "

Skalerbarhed betyder også, at disse metamaterialer har mange mulige anvendelser:fra programmerbare fotoniske materialer i nanometerskala til meterhøje arkitektoniske konstruktioner. Overvelde:"Specialister kan bruge vores værktøjskasse til at designe metamaterialer til deres specifikke disciplin."

Sensorer

Efter sin ph.d. -forskning startede Overvelde gruppen Soft Robotic Matter hos AMOLF, hvor han undersøger yderligere formændringerne i metamaterialer. "Ved at bruge aktive elementer og sensorer behøver de kræfter, der får et metamateriale til at ændre form, ikke at blive påført eksternt, men realiseres internt, "siger han." Ved at kombinere viden fra robotik og metamaterialer kan vi designe materialer, der reagerer aktivt og ikke-lineært på miljøet. "