Metamateriaal vouwt zichzelf op
Hoe complexer het voorwerp, des te ingewikkelder het is om op te vouwen. Een ruimtevaartuig heeft al snel vele motortjes nodig om een instrument-arm in elkaar te vouwen en mensen hebben zelfs moeite met een wegenkaart. Natuurkundigen uit Leiden en Amsterdam hebben nu een structuur ontworpen die zichzelf opvouwt in meerdere stappen. Publicatie op 27 september in Nature.
Hoe vaak heb je een wegenkaart verkeerd opgevouwen? Het vouwprincipe is simpel, maar behelst meerdere stappen die je in de juiste volgorde moet uitvoeren. En wegenkaarten zijn nog peanuts vergeleken bij de zonneschermen en instrumentarmen die ruimtevaartuigen in- en uitvouwen. Elke stap vereist een kleine motor die op het juiste moment zijn taak uitvoert. Natuurkundigen Martin van Hecke (Universiteit Leiden / AMOLF), Corentin Coulais (UvA) en hun studenten hebben nu een structuur ontworpen die zichzelf opvouwt in meerdere stappen, waarbij een simpele druk op de zijkanten volstaat.
Ingebakken vouwproces
‘Als je kijkt naar de natuur zie je ook veel meerstaps-vouwprocessen,’ zegt Coulais. ‘Eiwitten vouwen zich op in meerdere stapjes, inclusief ingebouwde zelfcorrecties. Maar in technologie gaan zulke stapjes niet autonoom en zijn er meerdere motoren nodig. Wij wilden kijken of je kunstmatige materialen kan maken waar een automatisch meerstaps-vouwproces ingebakken zit, zodat je niet meerdere vouwmotoren nodig hebt.’
Rubberen structuur
De onderzoekers werken met een decimeter brede rubberen structuur van blokjes die dankzij hun flexibele verbindingen kunnen draaien. Ze programmeren de vouwvolgorde door de verbindingen verschillende diktes te geven. Uitoefenen van druk op de zijkanten dwingt de constructie in een nieuwe, compactere structuur waarbij sommige blokjes tegen elkaar aan liggen. Meer druk leidt daarna tot de volgende stappen in het vouwproces. Van Heckes zogenoemde metamaterialen vouwen zichzelf op in maar liefst drie stappen—een record. Bovendien hebben de metamaterialen een ingebouwde zelfcorrectie. Als een productiefout zorgt voor een verbinding die uit het gelid staat, draaien de aangrenzende blokjes verkeerd, maar die komen daarna andere blokjes tegen die ze weer in de juiste positie drukken.
Van fundamenteel tot toegepast
Vooralsnog beschouwen de onderzoekers hun ontdekking als een stap op fundamenteel niveau, hoewel veel toepassingen denkbaar zijn. Van Hecke: ‘Automatische vouwing en zelfcorrectie zijn belangrijk in bijvoorbeeld de ruimtevaart, want daar kan veel misgaan terwijl er juist niets mis mág gaan. Of als een medische sonde vastloopt bij het opvouwen, kan die moeilijker weer uit het lichaam verwijderd worden. Wij proberen dat automatische vouwen nu na te bouwen en te snappen via veel simpelere structuren. Pas als je het snapt op fundamenteel niveau kun je ingewikkelde structuren ontwerpen met een praktisch nut.’
Publicatie
Corentin Coulais, Alberico Sabbadini, Fré Vink and Martin van Hecke, Multi-step self-guided pathways in shape-changing metamaterials, Nature 561, 512-515 (2018)
DOI: 10.1038/s41586-018-0541-0
Figuur: Een metamateriaal dat zichzelf in drie stappen opvouwt.
