Nyt metamateriale tilbyder omprogrammerbare egenskaber

I løbet af de sidste 20 år, forskere har udviklet metamaterialer, eller materialer, der ikke forekommer naturligt, og hvis mekaniske egenskaber skyldes deres designede struktur snarere end deres kemiske sammensætning. De giver forskere mulighed for at skabe materialer med specifikke egenskaber og former. Metamaterialer er stadig ikke meget brugt i hverdagsgenstande, men det kan snart ændre sig. Tian Chen, en post-doc ved to EPFL-laboratorier - Flexible Structures Laboratory, ledet af Pedro Reis, og Geometric Computing Laboratory, ledet af Mark Pauly - har taget metamaterialer et skridt videre, udvikle en, hvis mekaniske egenskaber kan omprogrammeres efter materialet er blevet fremstillet. Hans forskning vises i Natur .

Et enkelt materiale med flere mekaniske funktioner

"Jeg spekulerede på, om der var en måde at ændre den indre geometri af et materiales struktur, efter at det er blevet skabt, "siger Chen." Ideen var at udvikle et enkelt materiale, der kan vise en række fysiske egenskaber, som stivhed og styrke, så materialer ikke skal udskiftes hver gang. For eksempel, når du vrider din ankel, du skal i første omgang have en stiv skinne på for at holde anklen på plads. Så når det heler, du kan skifte til en mere fleksibel. I dag skal du udskifte hele skinnen, men håbet er, at en dag, et enkelt materiale kan tjene begge funktioner."

Silicium og magnetisk pulver

Chens metamateriale er lavet af silicium og magnetisk pulver og har en kompliceret struktur, der tillader mekaniske egenskaber at variere. Hver celle i strukturen opfører sig som en elektrisk kontakt. "Du kan aktivere og deaktivere individuelle celler ved at anvende et magnetfelt. Det ændrer den indre tilstand af metamaterialet, og dermed dets mekaniske egenskaber, " siger Chen. Han forklarer, at hans programmerbare materiale er analogt med computerenheder som harddiske. Disse enheder indeholder bits af data, som kan skrives til og læses fra i realtid. Cellerne i hans programmerbare metamateriale, kaldet m-bits, fungerer som bits i en harddisk - de kan tændes, gør materialet stivere, eller slukket, gør det mere fleksibelt. Og forskere kan programmere forskellige kombinationer af til og fra for at give materialet præcis de mekaniske egenskaber, de har brug for til enhver tid.

For at udvikle sit materiale, Chen trak på metoder fra både datalogi og maskinteknik. "Det er det, der gør hans projekt så specielt, " siger Pauly. Chen brugte også meget tid på at teste sit materiale i hver af dets forskellige tilstande. Han fandt ud af, at det faktisk kunne programmeres til at opnå forskellige grader af stivhed, deformation og styrke.

Mange forskningshorisonter

Programmerbare metamaterialer er beslægtet med maskiner, såsom robotter, der anvender komplicerede, energikrævende elektroniske mekanismer. Med sin forskning, Chen sigter efter at finde den rigtige balance mellem statiske materialer og maskiner. Reis ser et stort potentiale for yderligere forskning ved hjælp af Chens teknologi. "Vi kunne designe en metode til at skabe 3-D strukturer, da det vi har gjort indtil videre kun er i 2D, " siger Reis. "Eller vi kunne skrumpe skalaen for at lave endnu mindre metamaterialer." Chens opdagelse markerer et grundlæggende skridt fremad, da det er første gang, videnskabsmænd har udviklet et virkeligt omprogrammerbart mekanisk metamateriale. Det åbner op for mange spændende veje til forskning og banebrydende industrielle applikationer.