Smarte simuleringer kortlægger adfærden hos overraskende strukturer

AMOLF-forskere studerer tredimensionelle prismatiske strukturer, der kan antage forskellige former med det formål at producere metamaterialer, der har flere egenskaber. Forskere har fundet en ny måde at simulere deformationer i sådanne strukturer, og ved at gøre det, de opdagede en lang række uventede former. Resultaterne vil blive offentliggjort i dag i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Det er grundlæggende matematisk forskning, men også meget håndgribeligt. På skrivebordet ligger et kompleks, origami-lignende konstruktion lavet af plastkanter. Imidlertid, når komprimeret, den folder sig sammen og danner en kompakt struktur, der mere ligner en boligblok med fire tårne. Hvilke former strukturen kan antage forudsiges af en ny beregningsmetode udviklet af AMOLF-forskere Agustin Iniguez-Rabago, Yun li og Bas Overvelde fra Soft Robotic Matter -gruppen.

Strukturen er en model for et tredimensionelt mekanisk metamateriale, som blev bygget i hånden af ​​Iniguez-Rabago. Derudover materialet er multistabilt, hvilket betyder, at den kan bevare flere former uden at udøve kraft på den.

"Du husker måske stadig de såkaldte Slap Wrap-armbånd, som du kunne smide på dit håndled, og som var stabile i både en lige og en rund form, "siger AMOLF -gruppeleder Overvelde." De strukturer, vi har undersøgt, viser lignende adfærd, men med langt flere muligheder. "Dog, ikke alle de materialer, forskerne arbejder med, kan intuitivt forstås på denne måde, siger Iniguez-Rabago. "For nogle strukturer, vi forventede ikke, at de ville demonstrere multistabil adfærd. Jeg var overrasket over, at dette simpelthen rullede ud af vores nye computeralgoritme. "

Mini robotter

Metamaterialer har særlige egenskaber, der afhænger af deres form ud over det materiale, de er lavet af. Der er mange mulige anvendelser, hvis forskere kan få en god forståelse for, hvordan formen bestemmer egenskaberne. Disse materialer kan derefter bruges som mini-robotter eller systemer til lagring af energi, for eksempel. "Vi har bygget strukturer i centimeters skala for at kontrollere, om vores beregninger er korrekte. Dog er den underliggende mekaniske adfærd bør også være anvendelig på langt mindre eller større skalaer, "Siger Overvelde.

Ved hjælp af deres model, det lykkedes forskerne at beregne store mængder af tredimensionelle modeller. Iniguez-Rabago siger, "Vi vil gerne vide, hvor mange stabile former et bestemt design har. Indtil nu har folk brugte ofte en todimensionel model og forsøgte at beskrive det så præcist som muligt. Imidlertid, langt mere er muligt med vores nye beregningsmetode. Vi kan nu undersøge tredimensionelle metamaterialer, der udviser meget kompleks adfærd, der er vanskelig at forudsige. "

Fleksible overflader

Forskerne tog to vigtige valg for at realisere simuleringerne. Den første var ved at gøre strukturernes overflader noget fleksible. Dette muliggjorde en lettere overgang fra en form til en anden, hvilket resulterer i mere stabile former pr. struktur. Det andet valg var ikke at lade computeren tilfældigt beregne alle mulige former, men kun unikke kombinationer af påførte kræfter på hængslerne. "På en vis måde, vi klemmer en struktur på forskellige måder og observerer, om strukturen hopper til en anden form; det ligner meget, hvordan man ville udføre eksperimenter. "Dette gør beregningerne langt enklere." Med denne tilgang, vi fandt undertiden over 100 stabile former for en struktur, "siger Iniguez-Rabago.

Kontrolleret bevægelse

Forskerne verificerede deres simuleringer ved at fremstille strukturerne og udføre eksperimenter. Nu, de vil tage det et skridt videre. Ved let at flytte et enkelt hængsel (ved at puste en enkelt ballon op i modellen), de kan drastisk ændre formen på hele strukturen. "Vi kan bruge denne idé i senere applikationer, "Iniguez-Rabago forklarer." Med lydhøre materialer som hydrogeler, vi kan bygge en struktur i en langt mindre skala og kontrollere, hvordan den bevæger sig. Det er vores ultimative mål. "