Kun je een blok rubber tot tien laten tellen?

Een blok rubber dat tot tien telt en zelfs onthoudt in welke volgorde het is samengedrukt. Natuurkundigen Martin van Hecke en Lennard Kwakernaak (Leiden en AMOLF Amsterdam) delen een fascinatie voor complexiteit in eenvoudige objecten. Ze schreven een artikel over een telblok van rubber, dat ze classificeren als een metamateriaal, en publiceerden het in het tijdschrift Physical Review Letters.

Promovendus Lennard Kwakernaak toont een blok zacht rubber met 22 kleine onderling verbonden staafjes. “Dit is ons metamateriaal. Probeer er maar eens op te drukken.” Het resultaat is onverwacht. De staafjes buigen allemaal naar links, behalve de eerste, die naar rechts buigt. “De eerste staaf drukt dan de tweede naar rechts, gevolgd door de derde. Elke keer dat je erop drukt, buigt er weer een staaf tot het materiaal tot tien heeft geteld.”

Een materiaal met geheugen

Het blok rubber is een voorbeeld van een mechanisch metamateriaal: de eigenschappen van dit materiaal worden niet alleen bepaald door de moleculaire samenstelling, maar ook door de structuur. De groep van Van Hecke onderzoekt hoe je met zulke metamaterialen informatie kunt verwerken, vergelijkbaar met hoe een computer werkt. Een balkje dat van links naar rechts beweegt lijkt een beetje op een computerbit, die zowel één als nul kan zijn. “Het is niet eenvoudig om de structuur zo te ontwerpen dat hij reageert zoals wij willen”, voegt Kwakernaak toe. “Tellen is de eenvoudigste berekening die we konden bedenken, dus dit was een logisch uitgangspunt.”

“Bij het ontwikkelen van zo’n materiaal probeer je de regels van het spel te ontdekken”, zegt de promovendus. “Wat kun je doen en wat niet? In dit geval gaat de regel over de manier waarop de staafjes contact maken met hun buren.” Vervolgens gingen de onderzoekers met hun materiaal verder dan basistellingen. “Tijdens het werken met het materiaal realiseerde ik me dat ik verschillende reacties van het blok rubber kan veroorzaken door de hoeveelheid kracht die ik gebruik aan te passen. Door hiermee te experimenteren kon ik een metamateriaal maken dat alleen telt als je de juiste hoeveelheid druk uitoefent in een specifieke volgorde. Het is alsof je de juiste sleutel gebruikt om een slot te openen.”

Eenvoudige oplossingen voor een reeks problemen

De vraag is natuurlijk, waarom zou je een blok rubber laten tellen als we dit ook met computers kunnen doen? Een toepassing die je kunt bedenken is het tellen van auto’s in verschillende gewichtsklassen terwijl ze over een brug rijden zonder dat daar een energiebron voor nodig is. Of een ander voorbeeld: een stappenteller, omdat je het metamateriaal zo groot of klein kunt maken als je zelf wilt. “Het grote voordeel van zulke mechanische metamaterialen is dat ze goedkoop en robuust zijn en weinig onderhoud nodig hebben”, zegt Kwakernaak. “Dat maakt ze interessant voor verschillende toepassingen. Het is voor ons moeilijk te zeggen welk doel ze zullen dienen, maar we weten dat zulke nieuwe materialen altijd nuttig blijken te zijn. Eerder onderzoek naar origamivouwen heeft ingenieurs geïnspireerd om zonnepanelen te ontwerpen die in de ruimte kunnen worden gevouwen.”

Wat Kwakernaak het meest interesseert is om te zien hoe eenvoudige dingen zich op een zeer complexe manier kunnen gedragen. “De manier waarop zo’n dunne staaf knikt is veel ingewikkelder dan je zou denken. Een computer kan het nauwelijks nabootsen.” Zijn volgende stap is het bedenken van een ingewikkelder structuur die zich niet beperkt tot één richting, maar die op een oppervlak werkt. “Dit betekent eigenlijk dat het een eenvoudige computer is.”