Slimme rekenmethode verkent het gedrag van verrassende bouwwerken
Onderzoekers van AMOLF bestuderen driedimensionale structuren die verschillende vormen kunnen aannemen, met het doel om metamaterialen te maken die meerdere eigenschappen hebben. De onderzoekers hebben een nieuwe manier bedacht om de vervormingen in dergelijke structuren te simuleren en vonden zo allerlei onverwachte vormen. De resultaten verschijnen vandaag in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
Het is fundamenteel wiskundig onderzoek en toch heel tastbaar. Op het bureau staat een complex, origami-achtig bouwwerk gemaakt van plastic vierkantjes. Als je er met de hand op duwt vouwt het in elkaar en vormt het een compacte structuur die meer lijkt op een flatgebouw met vier torens. Welke vormen het bouwwerk kan aannemen, dat voorspelt de nieuwe rekenmethode van AMOLF-onderzoekers Agustin Iniguez-Rabago, Yun li en Bas Overvelde van de Soft Robotic Matter groep.
Meerdere vormen
Het bouwwerk is een model voor een driedimensionaal mechanisch metamateriaal, met de hand gebouwd door Iniguez-Rabago. Het materiaal is ook nog eens multistabiel, dat wil zeggen dat het meerdere vormen kan aanhouden zonder er kracht op uit te oefenen. “Wellicht herinner je je van vroeger nog de klaparmbandjes die je om je pols kunt slaan, die zowel stabiel zijn in een rechte als ronde vorm”, zegt AMOLF-groepsleider Overvelde. “De structuren die we hebben onderzocht laten vergelijkbaar gedrag zien, maar dan met nog veel meer mogelijkheden.” Maar niet alle materialen waar de onderzoekers mee werken kun je zo intuïtief begrijpen, zegt Iniguez-Rabago. “Van sommige structuren hadden we helemaal niet verwacht dat ze multistabiel gedrag zouden laten zien. Ik was verrast dat dit zomaar uit onze nieuwe rekenmethode rolde.“
Robotjes
Metamaterialen hebben bijzondere eigenschappen die afhankelijk zijn van hun vorm, niet alleen van het materiaal waarvan ze gemaakt zijn. Als onderzoekers goed in de vingers krijgen hoe de vorm de eigenschappen bepaalt, dan gaat er een wereld aan toepassingen open. Deze materialen kunnen bijvoorbeeld worden ingezet als kleine robotjes of systemen om energie in op te slaan. “We hebben de structuren gebouwd op de centimeterschaal om te kijken of onze berekeningen kloppen. Echter, het onderliggende mechanische gedrag zou ook op veel kleinere of grotere schaal toepasbaar moeten zijn”, zegt Overvelde.
Slimme berekeningen
De onderzoekers zijn er recent in geslaagd om grote hoeveelheden driedimensionale modellen slim door te rekenen. Iniguez-Rabago legt uit: “We willen weten hoeveel stabiele vormen een bepaald ontwerp heeft. Tot nu toe nam men vaak een tweedimensionaal model en probeerde dat zo precies mogelijk te beschrijven. Maar nu kunnen wij driedimensionale metamaterialen onderzoeken, die zeer complex gedrag vertonen dat lastig te voorspellen is.”
Flexibele vlakken
De onderzoekers maakten twee belangrijke keuzes om de berekeningen voor elkaar te krijgen. De eerste is dat ze de vlakken van de bouwwerken enigszins flexibel maakten. Daardoor wordt de overgang van de ene naar de andere vorm vergemakkelijkt, met als resultaat meer stabiele vormen per bouwwerk. De tweede is dat ze de computer niet willekeurig alle mogelijke vormen lieten doorrekenen, maar alleen unieke combinaties van krachten toepassen op de scharnieren. “In zekere zin knijpen we op verschillende manieren in een structuur, en kijken we of de structuur naar een andere vorm springt; erg vergelijkbaar met hoe je experimenten zou uitvoeren.” Daardoor wordt het rekenwerk veel eenvoudiger. “Op deze manier vonden we in sommige gevallen wel meer dan 100 stabiele vormen”, stelt Iniguez-Rabago.
Gecontroleerde beweging
Dat hun berekeningen kloppen, lieten de onderzoekers zien door de bouwwerken ook te maken. Nu gaan ze een stap verder. Door één scharnier een beetje te bewegen (in het model door een enkel ballonnetje op te blazen) kunnen ze de hele structuur drastisch van vorm doen veranderen. “Dit idee kunnen we gebruiken in latere toepassingen,” legt Iniguez-Rabago uit. “Met responsieve materialen zoals hydrogels kun je een structuur op veel kleinere schaal bouwen en gecontroleerd laten bewegen. Dat is ons uiteindelijke doel.”
Referentie
Agustin Iniguez-Rabago, Yun Li and Johannes T.B. Overvelde, Exploring multistability in prismatic metamaterials through local actuation, Nature Communications 10, 5577 (2019)
