AMOLF-forskare studerar tredimensionella prismatiska strukturer som kan anta olika former i syfte att producera metamaterial som har flera egenskaper. Forskare har hittat ett nytt sätt att simulera deformationer i sådana strukturer, och därvid, de upptäckte ett brett utbud av oväntade former. Resultaten publiceras idag i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Det är grundläggande matematisk forskning men också mycket påtaglig. På skrivbordet ligger ett komplex, origamiliknande konstruktion gjord av plastrutor. Dock, när den är komprimerad, den fälls ihop och bildar en kompakt struktur som mer liknar ett flerfamiljshus med fyra torn. Vilka former strukturen kan anta förutsägs av en ny beräkningsmetod utvecklad av AMOLF-forskarna Agustin Iniguez-Rabago, Yun li och Bas Overvelde från gruppen Soft Robotic Matter.

Strukturen är en modell för ett tredimensionellt mekaniskt metamaterial, som byggdes för hand av Iniguez-Rabago. Dessutom, materialet är multistabilt, vilket innebär att den kan behålla flera former utan att utöva kraft på den.

"Du kanske fortfarande kommer ihåg de så kallade Slap Wrap-armbanden som du kunde slänga på handleden och som var stabila i både en rak och en rund form, " säger AMOLFs gruppledare Overvelde. "De strukturer som vi har undersökt visar liknande beteende, men med mycket fler möjligheter." inte allt material som forskarna arbetar med kan förstås intuitivt på detta sätt, säger Iniguez-Rabago. "För vissa strukturer, vi förväntade oss inte att de skulle visa multistabilt beteende. Jag blev förvånad över att detta helt enkelt rullade ut ur vår nya datoralgoritm."

Mini robotar

Metamaterial har speciella egenskaper som beror på deras form utöver materialet de är gjorda av. Det finns många möjliga tillämpningar om forskare kan få en god förståelse för hur formen bestämmer egenskaperna. Dessa material kan sedan användas som minirobotar eller system för att lagra energi, till exempel. "Vi har byggt strukturer i centimeterskala för att kontrollera om våra beräkningar är korrekta. det underliggande mekaniska beteendet bör också kunna tillämpas på mycket mindre eller större skalor, " säger Overvelde.

Med hjälp av deras modell, forskarna lyckades beräkna stora mängder tredimensionella modeller. Iniguez-Rabago säger, "Vi vill veta hur många stabila former en viss design har. Hittills har människor använde ofta en tvådimensionell modell och försökte beskriva den så exakt som möjligt. Dock, mycket mer är möjligt med vår nya beräkningsmetod. Vi kan nu undersöka tredimensionella metamaterial som uppvisar mycket komplext beteende som är svårt att förutsäga."

Flexibla ytor

Forskarna gjorde två viktiga val för att förverkliga simuleringarna. Den första var genom att göra ytorna på strukturerna något flexibla. Detta möjliggjorde en lättare övergång från en form till en annan, vilket resulterar i mer stabila former per struktur. Det andra valet var att inte låta datorn slumpmässigt beräkna alla möjliga former, men endast unika kombinationer av applicerade krafter på gångjärnen. "I viss mening, vi nyper en struktur på olika sätt och observerar om strukturen hoppar till en annan form; det är väldigt likt hur man skulle utföra experiment." Detta gör beräkningarna mycket enklare. "Med detta tillvägagångssätt, vi hittade ibland över 100 stabila former för en struktur, säger Iniguez-Rabago.

Kontrollerad rörelse

Forskarna verifierade sina simuleringar genom att tillverka strukturerna och utföra experiment. Nu, de kommer att ta det ett steg längre. Genom att flytta ett enda gångjärn lätt (genom att blåsa upp en enda ballong i modellen), de kan drastiskt ändra formen på hela strukturen. "Vi kan använda den här idén i senare tillämpningar, " Iniguez-Rabago förklarar. "Med responsiva material som hydrogeler, vi kan bygga en struktur i mycket mindre skala och kontrollera hur den rör sig. Det är vårt yttersta mål."