Eenrichtingsweg voor beweging in nieuw materiaal

Onderzoekers hebben een materiaal ontwikkeld dat ingaat tegen een van de basisprincipes van de natuurkunde. Reguliere materialen die ingedrukt worden, verspreiden de druk gelijkmatig, ongeacht waar die vandaan komt. Het nieuwe materiaal breekt met deze wetmatigheid en dat kan interessant zijn voor toepassingen in zachte robotica en producten die gebaat zijn bij schokdempende eigenschappen. Het onderzoeksteam van AMOLF, Universiteit Leiden en de Universiteit van Texas in Austin publiceren hun bevindingen op 13 februari in Nature.

Reciprociteit
Met hun vinding breken de onderzoekers met het principe van reciprociteit in mechanische systemen. Reciprociteit bepaalt hoe licht, radiosignalen, geluid en beweging zich voortplanten door een materiaal. Het zorgt ervoor dat wanneer je een signaal kunt sturen, je het ook kunt ontvangen. Reciprociteit betekent bovendien symmetrie: als we een zacht materiaal indrukken aan de linkerkant en dit leidt tot een bepaalde mate van beweging aan de rechterzijde, dan mogen we dezelfde mate van beweging verwachten aan de linkerkant bij druk van rechts.

Nieuw materiaal
Corentin Coulais (AMOLF/Universiteit Leiden), Dimitrios Sounas en Andrea Alù (UT Austin) zijn er met hun materiaal als eerste in geslaagd om reciprociteit in een zacht materiaal terzijde te schuiven. Het materiaal verspreidt beweging in de ene richting en blokkeert het van de andere kant. Coulais: “We hebben een zogenoemd metamateriaal ontworpen dat zich bijzonder gedraagt dankzij zijn vorm: een platte, rubberen structuur met gaatjes in een zorgvuldig uitgekozen patroon. Ieder onderdeel in het ontwerp leunt enigszins naar rechts; dit is een belangrijke voorwaarde om het gewenste effect te bereiken.

Hoe werkt het?
Ondanks het verfijnde patroon is de werking van het metamateriaal onmiskenbaar. Na het indrukken aan de rechterkant ontstaat eenvoudig een beweging in de structuur, maar die blijft beperkt tot de directe omgeving en het effect op de linkerkant is verwaarloosbaar. Als de linkerkant echter met evenveel kracht wordt ingedrukt is het effect veel sterker en ontstaat een beweging door het hele materiaal. De onderzoekers ontdekten vervolgens ook nog een manier om hun metamateriaal zó gevoelig te maken dat het zelfs onder minimale druk hetzelfde gedrag vertoont.

Reciprociteit in de praktijk
“Metamaterialen worden steeds vaker toegepast”, zegt de in Texas gestationeerde Alù. “Denk bijvoorbeeld aan metamaterialen die radiogolven ombuigen of lichtgolven manipuleren in optische communicatiesystemen. Ons onderzoek maakt het mogelijk schokken te blokkeren of juist te verspreiden afhankelijk van waar de beweging vandaan komt, en dit kan goed van pas komen in bijvoorbeeld zachte robotica, prothesen of bij het opwekken van energie. We kijken ernaar uit om het metamateriaal verder te ontwikkelen en zo geschikt te maken voor een van de mogelijke toepassingen.”

Referentie
Corentin Coulais, Dimitrios Sounas, Andrea Alù, Static Non-Reciprocity in Mechanical Metamaterials, Nature (2017), DOI: 10.1038/nature21044