Under de senaste 20 åren har forskare har utvecklat metamaterial, eller material som inte förekommer naturligt och vars mekaniska egenskaper beror på deras konstruerade struktur snarare än deras kemiska sammansättning. De tillåter forskare att skapa material med specifika egenskaper och former. Metamaterial används fortfarande inte i stor utsträckning i vardagliga föremål, men det kan snart förändras. Tian Chen, en post-doc på två EPFL-laboratorier-Flexible Structures Laboratory, med Pedro Reis i spetsen, och Geometric Computing Laboratory, ledd av Mark Pauly - har tagit metamaterial ett steg längre, utveckla en vars mekaniska egenskaper kan omprogrammeras efter att materialet har tillverkats. Hans forskning dyker upp i Natur .

Ett enda material med flera mekaniska funktioner

"Jag undrade om det fanns ett sätt att ändra den inre geometrin i ett materials struktur efter att det har skapats, "säger Chen." Tanken var att utveckla ett enda material som kan visa en rad fysiska egenskaper, som styvhet och styrka, så att material inte behöver bytas ut varje gång. Till exempel, när du vrider fotleden, du måste till en början ha en stel skena för att hålla fotleden på plats. Då det läker, du kan byta till en mer flexibel. Idag måste du byta ut hela skenan, men förhoppningen är att en dag, ett enda material kan tjäna båda funktionerna. "

Kisel och magnetiskt pulver

Chens metamaterial är tillverkat av kisel och magnetiskt pulver och har en komplicerad struktur som gör att mekaniska egenskaper kan variera. Varje cell i strukturen beter sig som en elektrisk strömbrytare. "Du kan aktivera och inaktivera enskilda celler genom att applicera ett magnetfält. Det ändrar metamaterialets inre tillstånd, och följaktligen dess mekaniska egenskaper, "säger Chen. Han förklarar att hans programmerbara material är analogt med datorenheter som hårddiskar. Dessa enheter innehåller bitar av data som kan skrivas till och läsas av i realtid. Cellerna i hans programmerbara metamaterial, kallas m-bitar, fungerar som bitarna på en hårddisk - de kan slås på, gör materialet styvare, eller av, gör det mer flexibelt. Och forskare kan programmera olika kombinationer av på och av för att ge materialet exakt de mekaniska egenskaper de behöver vid varje given tidpunkt.

För att utveckla sitt material, Chen använde metoder från både datavetenskap och maskinteknik. "Det är det som gör hans projekt så speciellt, "säger Pauly. Chen ägnade också mycket tid åt att testa sitt material i var och en av dess olika tillstånd. Han fann att det verkligen kan programmeras för att uppnå olika grader av styvhet, deformation och styrka.

Många forskningshorisonter

Programmerbara metamaterial liknar maskiner, som robotar, som använder komplicerade, energikrävande elektroniska mekanismer. Med sin forskning, Chen syftar till att hitta rätt balans mellan statiska material och maskiner. Reis ser mycket potential för vidare forskning med hjälp av Chens teknik. "Vi kan utforma en metod för att skapa 3D-strukturer, eftersom det vi har gjort hittills bara är i 2-D, "Säger Reis." Eller så kan vi krympa skalan för att göra ännu mindre metamaterial. "Chens upptäckt markerar ett grundläggande steg framåt, eftersom det är första gången som forskare har utvecklat ett verkligt omprogrammerbart mekaniskt metamaterial. Det öppnar många spännande vägar för forskning och avancerade industriella applikationer.