News

Computer van ribbelrubber kan tellen

Published on December 1, 2021
Category Mechanical Metamaterials

Een stukje geribbeld rubber functioneert als een eenvoudige computer, met geheugen en het vermogen om tot twee te tellen. Natuurkundige onderzoekers van Universiteit Leiden en van onderzoeksinstituut AMOLF publiceren erover in het tijdschrift PNAS. ‘Simpele materialen kunnen informatie verwerken, en wij zijn bezig de principes daarvan te achterhalen.’

Tekst en video: Bruno Wayenburg

Waar andere natuurkundigen werken met telescopen, microscopen of deeltjesversnellers voor hun onderzoek, gebruiken Martin van Hecke en Hadrien Bense alleen stukjes rubber, die ze vouwen en filmen. Zo hebben ze bewezen dat zelfs een heel simpel stukje materiaal informatie kan verwer-ken.

Een video van de onderzoekers (beiden verbonden aan de Universiteit Leiden en het onderzoeksin-stituut AMOLF in Amsterdam) laat een stukje geribbeld rubber zien, dat van bovenaf ingedrukt wordt met een pers. Eerst buigen de ribbels rustig mee, maar op een zeker moment ploppen ze, wat inhoudt dat ze ineens een andere vorm aannemen. Bense en Van Hecke besloten de plop-punten te beschouwen als ‘bits’ die van 0 naar 1 omschakelen als ze ploppen (en terug naar 0 als ze terugploppen).

Met camera’s en veel geduld (van Bense) brachten ze alle mogelijke toestanden van het stuk rub-ber in kaart. De zaken worden snel ingewikkeld: een stukje rubber met drie ‘bits’ kan theoretisch gezien acht verschillende toestanden aannemen. Iedere omploppende bit is een overgang naar een andere toestand.

Het onderzoeksveld waarin de onderzoeksgroep voorop loopt heet ‘mechanische metamaterialen’. Dat zijn materialen waarvan de eigenschappen afhankelijk zijn van de mechanische structuur in plaats van alleen de materiaaleigenschappen zelf. Bijvoorbeeld de structuur van ploppende rub-berribbels.

Aanvankelijk doorliep het ribbelrubber vier verschillende toestanden. Vanaf de toestand waarin alle bits ‘0’ zijn (000) naar een toestand waarin ze alledrie ‘1’ zijn (111), en dan, als de druk weer afneemt, weer terug. Maar de zaken werden interessanter toen Bense de basis waarop het rubber stond een beetje kantelde. Door die kleine hoek treden er in het rubber vervormingen op, waar-door de bits elkaar beïnvloeden.

Het schema van verschillende toestanden wordt nu veel ingewikkelder: nu kunnen tot zeven ver-schillende toestanden bereikt worden. Opvallend genoeg leidt het verhogen en daarna verlagen van de druk soms tot een toestand die daarvóór nog niet gezien was. ‘Dat is een soort van geheu-gen’, zegt Bense, ‘omdat de toestand van het systeem niet alleen afhankelijk is van de druk, maar ook van het verleden.’

Een ander stuk rubber kan zelfs tellen. Eén toestand wordt pas bereikt na één keer indrukken en loslaten, en een volgende toestand als je nog eens indrukt en loslaat. ‘Dat betekent eigenlijk dat hij het aantal malen indrukken telt’, zegt Bense. ‘Dat is een vorm van informatieverwerking’, zegt Van Hecke, ‘natuurlijk wel een heel simpele vorm.’

In hun artikel beschrijven de onderzoekers experimenten en berekeningen, en stellen ze theorieën op over de onderlinge beïnvloeding van bits, om de volgordes van de omploppende bits beter te begrijpen.

‘Er zijn vast toepassingen’, zegt Van Hecke. ‘Maar ik weet nog niet welke’. Eerder onderzoek naar mechanische metamaterialen heeft geleid tot schok-absorberende sneakers en verbeteringen in ‘zachte’ robots. ‘Toepassingen zijn er altijd, op den duur’, zegt Van Hecke, ‘maar eerst proberen we uit te zoeken wat de principes achter deze metamaterialen zijn.’

Referentie
H. Bense, M. van Hecke, Complex pathways and memory in compressed corrugated sheets, Proceedings of the National Academy of Sciences, 118, 50 (2021).