Golfplastic onthult een nieuw ontwerpprincipe voor programmeerbare materialen (video)

Golfplastic blijkt een voorbeeld te zijn voor een nieuwe klasse ‘multistabiele’ metamaterialen die omkeerbaar van vorm kunnen veranderen. Dit inzicht kan leiden tot nieuwe toepassingen, van robots tot medische apparaten.

Natuurkundigen Anne Meeussen en Martin van Hecke van Amolf en de Universiteit Leiden beschrijven deze materialen in een Nature-publicatie.

Van een bloem die zijn bloemblaadjes ontvouwt tot een robot die een voorwerp vastpakt: overal om ons heen veranderen de dingen van vorm. Door de jaren heen zijn onderzoekers door de natuur geïnspireerd om materialen te creëren die van de ene vorm in de andere kunnen veranderen. Maar er is één probleem. Meestal zijn deze vormen niet stabiel, en als ze stabiel zijn, kunnen ze niet opnieuw worden vormgegeven. Zoals klei; een vorm gemaakt met zachte klei is niet stabiel, maar als de klei eenmaal gebakken is, kan de vorm ervan niet meer worden gereset.

In hun Nature-publicatie beschrijven Meeussen en Van Hecke een nieuwe regelgeving voor het ontwerp van echte ‘multistabiele’ metamaterialen. “Voor het eerst kunnen we materialen maken die meerdere stabiele omstandigheden aankunnen, die ook makkelijk omkeerbaar zijn”, aldus Van Hecke.

De basis van de ontdekking is een materiaal met een bedrieglijk eenvoudige structuur: vellen plastic – of welk ander flexibel materiaal dan ook – die ribbels of groeven bevatten. Wanneer aan dit gegroefde vel wordt getrokken, knikken de groeven en vormen een verlengde rand loodrecht op de groeven. Deze rand blijft op zijn plaats – zelfs als je stopt met trekken – en dwingt de plaat in een nieuwe vorm. Door het combineren van verschillende ribbels ontstaan prachtige rollen, spiralen en spiraalvormen, die zelfs zelfstandig stabiel zijn. “Als je de plaat echter nog verder uit elkaar trekt, verdwijnen de ribbels en kun je weer opnieuw vormgeven”, zegt Van Hecke.

Meeussen ontdekte dat elke verbogen groef als defect fungeert, en dat aangrenzende defecten elkaar ‘voelen’: als je ze dichterbij brengt, stoten ze elkaar af. “Maar als twee defecten precies naast elkaar liggen, blijven ze bij elkaar.” Dit betekent dat de ruggen bestaan uit kettingen van defecten die elkaar aantrekken en op hun plaats vergrendelen. “Het begrijpen van deze defecten, ribbels en vormen kostte behoorlijk wat tijd”, zegt Meeussen, die het materiaal analyseerde en computersimulaties, berekeningen en veel experimenten met golfplastic uitvoerde.

Tenten, stents en robots

Deze principes van multistabiliteit en vormveranderende materialen maken vele soorten toepassingen mogelijk, zoals opvouwbare noodbehuizingen; medische hulpmiddelen zoals stents die in één vorm het lichaam kunnen binnendringen en eenmaal binnen kunnen worden opengevouwen tot een andere stabiele, bruikbare vorm; en robotonderdelen die gemakkelijk heen en weer kunnen schakelen tussen programmeerbare vormen.