17/08/2021
Door Ad Spijkers
Nieuw materiaal transformeert op commando van flexibel naar rigide.
Ingenieurs van het California Institute of Technology (Caltech) en het NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), beide in Pasadena (Californië), hebben een materiaal ontwikkeld dat is geïnspireerd op een maliënkolder. Een opvallende eigenschap is, dat het onder druk kan veranderen van een opvouwbare, flexibele staat in specifieke vaste vormen. Het materiaal heeft potentiële toepassingen als een slimme stof voor exoskeletten, of als een adaptieve cast die de stijfheid aanpast als een blessure geneest, of zelfs als een inzetbare brug die kan worden uitgerold en verstijfd.
Van vast naar vloeibaar
De onderzoekers wilden materialen maken die de stijfheid op commando kunnen veranderen. Ze willen een materiaal creëren dat op een beheersbare manier van zacht en opvouwbaar naar stijf en dragend gaat. Een voorbeeld is Batman's cape uit de film Batman Begins uit 2005, die over het algemeen flexibel is maar naar believen stijf kan worden gemaakt wanneer de vleermuisman het nodig heeft als een glijdend oppervlak.
Materialen die eigenschappen op vergelijkbare manieren veranderen, bestaan al Als koffie nog verpakt is, is het stevig. Maar zodra je de verpakking opent, kun je het als een poeder uitschenken. Afzonderlijke koffiekorrels maar ook zanddeeltjes hebben complexe maar losgekoppelde vormen en kunnen alleen een vaste vorm aannemen als ze worden samengedrukt. Vellen van gekoppelde ringen kunnen echter samen klemmen onder zowel compressie als spanning (wanneer ze samengedrukt of uit elkaar worden getrokken).
De onderzoekers hebben een aantal deeltjes getest om te zien welke zowel flexibiliteit als regelbare stijfheid boden. Degenen die alleen onder één soort spanning vast worden, presteren meestal slecht.
Maliënkolder
Om te onderzoeken welke materialen het beste zouden werken, ontwierpen de onderzoekers een aantal configuraties van gekoppelde deeltjes. Dat varieerde van het verbinden van ringen via het verbinden van kubussen tot het verbinden van octaëders. De materialen werden 3D-geprint uit polymeren en metalen. Deze configuraties werden vervolgens gesimuleerd in een computer.
Korrelige materialen zijn een mooi voorbeeld van complexe systemen, waar eenvoudige interacties op korrelschaal kunnen leiden tot structureel complex gedrag. In deze maliënkoldertoepassing is het vermogen om trekbelastingen op de korrelschaal te dragen een doorbraak. Het lijkt op een touwtje dat drukbelastingen kan dragen. De mogelijkheid om dergelijk complex gedrag te simuleren, opent de deur naar buitengewone constructieve ontwerpen en prestaties.
Om het vast worden van het materiaal te beheersen, oefenden de onderzoekers een externe spanning uit door de stoffen samen te drukken met behulp van een vacuümkamer of door een gewicht te laten vallen. In één experiment kon een vacuüm vergrendelde maliënkolder een lading van 1,5 kg dragen, meer dan vijftig keer het eigen gewicht van de stof. De stoffen die de grootste variaties in mechanische eigenschappen vertoonden (van flexibel tot stijf) waren die met een groter gemiddeld aantal contacten tussen deeltjes, zoals gekoppelde ringen en vierkanten, vergelijkbaar met een middeleeuws maliënkolder.
Toepassingen
Deze stoffen hebben potentiële toepassingen in slimme draagbare apparatuur. Wanneer ze worden losgemaakt, zijn ze lichtgewicht, meegaand en comfortabel om te dragen. Na de overgang naar de stijve vorm worden ze een ondersteunende en beschermende laag op het lichaam van de drager.
Een ander mogelijk voorbeeld is een brug die kan worden afgerold en waarna na vormverandering over kan worden gereden. Vervolgens zouden kabels die door het materiaal lopen, kunnen worden vastgedraaid om de deeltjes te blokkeren. Dit is te vergelijken met de trekkoorden van een capuchon en dat is een van de mogelijkheden die nu worden onderzocht.
Slimme oppervlakken
De onderzoekers werken parallel aan zogenaamde slimme oppervlakken, die naar believen van vorm kunnen veranderen in specifieke configuraties. Zo hebben ze een methode gedemonstreerd om de vorm van een oppervlak te beheersen door netwerken in te bedden in warmtegevoelige vloeibare kristalelastomeren (LCE's), dunne stroken polymeer die krimpen bij verhitting. Deze LCE's bevatten rekbare verwarmingsspiralen die kunnen worden opgeladen met elektrische stroom, waardoor ze opwarmen en samentrekken. Terwijl de LCE's samentrekken, trekken ze aan het flexibele materiaal waarin ze waren ingebed en samengeperst tot een vooraf ontworpen vaste vorm.
Dit werk zou nuttig kunnen zijn voor samenwerking op afstand waarbij een fysiek onderdeel van de samenwerking nodig is. Te denken valt aan medische en haptische apparaten die technologie gebruiken om fysieke sensaties voor virtual reality te simuleren. Vervolgens is het team van plan om het ontwerp van zowel gestructureerde stoffen als slimme systemen te verkleinen en te optimaliseren om ze dichter bij praktische toepassingen te brengen.