Vouwen met vervormbaar materiaal : Toolkit voor metamaterialen met programmeerbare vorm en functie
AMOLF-groepsleider Bas Overvelde ontwikkelde tijdens zijn promotieonderzoek aan Harvard University een slimme methode voor het ontwerpen en onderzoeken van nieuwe metamaterialen. Bij zulke materialen is het niet de moleculaire samenstelling, maar de microstructuur die hun functie bepaalt. Het ideale metamateriaal verandert autonoom van vorm, afhankelijk van de gewenste functionaliteit. Overvelde en zijn Amerikaanse collega’s ontwikkelden een toolkit om zulke metamaterialen te ontwerpen die verschillende vormen kunnen aannemen op een manier die aan origami doet denken. Zij publiceren hun onderzoek op 19 januari in Nature.
Bij veel metamaterialen is het hun unieke microstructuur die ze uitermate geschikt maakt voor één bepaalde taak, bijvoorbeeld het afbuigen of juist geleiden van licht of geluid, of het dempen van trillingen. “Ons ideaal was om metamaterialen te ontwerpen die verschillende driedimensionale structuren kunnen aannemen, en daarmee ook aanpasbare functionaliteit hebben”, vertelt Bas Overvelde, die in 2016 promoveerde bij professor Katia Bertoldi aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.
Origami-achtig
Door samenwerking met ontwerpers ontwikkelden Overvelde en Bertoldi een strategie om het ontwerpen van vervormbare metamaterialen systematisch aan te pakken. De basisvorm in hun ontwerp is een regelmatig veelvlak, waarbij op de ribben steeds vierkante of rechthoekige vlakken worden geplaatst zodat een driedimensionale structuur ontstaat die doet denken aan een origami-vouwwerk. Overvelde: “Waar de oppervlakten elkaar raken, kan de structuur vouwen. De verhouding tussen de stijfheid van de oppervlaktes en de vouwlijnen bepaalt het gedrag van het uiteindelijke metamateriaal, dus hoe eenvoudig het materiaal van vorm verandert.”
Stijfheid
De onderzoekers ontwikkelden een model waarmee ze met eenvoudige wiskundige vormen een veelvoud aan verschillende structuren kunnen ontwerpen en hun mogelijke vervormingen kunnen identificeren. Van sommige metamaterialen uit hun model hebben de onderzoekers daadwerkelijke driedimensionale structuren gebouwd, met vlakken van karton en vouwlijnen van dubbelzijdig plakband. Hoewel deze modelstructuren slechts ter illustratie zijn, maken ze goed duidelijk hoe indrukwekkend deze metamaterialen van vorm veranderen.
“De kracht van ons model is dat het compleet schaalbaar is”, aldus Overvelde. “Het maakt niet uit of het uiteindelijke materiaal meters hoog is of juist op nanometerschaal. Zolang de verhouding van de stijfheid van de vlakken en de scharnieren gelijk is, is de manier waarop het van vorm – en dus functionaliteit – verandert hetzelfde.”
De schaalbaarheid maakt dat er vele toepassingen voor deze metamaterialen in het verschiet liggen: van programmeerbare fotonische materialen op nanometerschaal tot metershoge architectonische constructies. Overvelde: “Met onze toolkit kunnen specialisten bruikbare metamaterialen ontwerpen voor hun specifieke vakgebied.”
Sensoren
Na zijn promotie startte Overvelde bij AMOLF de Soft Robotic Matter groep, waar hij zich verder toelegt op de vormveranderingen in metamaterialen. “Door het toepassen van actieve elementen en sensoren zorgen we dat de krachten die een metamateriaal van vorm doen veranderen niet van buitenaf komen, maar intern geregeld worden, vertelt hij. “Door kennis van robotica en metamaterialen te combineren kunnen we materialen ontwerpen die actief en niet-lineair op de omgeving reageren.”
Referentie
Johannes Overvelde, James Weaver, Chuck Hoberman en Katia Bertoldi, Rational design of reconfigurable prismatic architected materials, Nature 541, 347-352, 19 January 2017. DOI:10.1038/nature20824
Video credits: Leah Burrows
