Rubber functioneert als computer (video)

Natuurkundigen van de Universiteit Leiden en Amolf publiceerden over het computerrubber in het tijdschrift PNAS.

Waar andere natuurkundigen telescopen, microscopen of deeltjesversnellers gebruiken om hun proefpersonen te bestuderen, gebruiken Martin van Hecke en Hadrien Bense gewoon stukjes rubber, die ze opvouwen en filmen. Op deze manier hebben ze bewezen dat zelfs een extreem eenvoudig materiaal in staat is om een ​​soort informatieverwerking uit te voeren.

Een video toont een stuk gegolfd rubber dat met een pers langzaam van bovenaf wordt geplet. Eerst buigen de golvingen langzaam mee, maar op een gegeven moment knappen ze, waardoor ze ineens in een andere vorm springen. Bense en Van Hecke besloten om deze breekpunten te zien als ‘bits’, die verschuiven van 0 naar 1 als ze knikken, en terug naar 0 wanneer ze losraken.

Met behulp van camera’s en veel geduld van Bense brachten ze alle staten in kaart. Dingen worden snel ingewikkeld: een stuk rubber met drie bits kan theoretisch in acht staten bestaan. Elke bitflip betekent een overgang naar een andere toestand.

Het gebied waar de groep pioniert, wordt ‘mechanische metamaterialen’ genoemd, materialen waarvan de eigenschappen afhankelijk zijn van de mechanische structuur, in plaats van alleen van de eigenschappen van het materiaal zelf.

Aanvankelijk ging het gegolfde rubber door vier toestanden: van geen bits ingeschakeld (000) naar alle drie de bits ingeschakeld (111) en dan terug wanneer de druk wordt opgeheven. Maar het werd interessanter toen Bense de grondplaat een beetje kantelde. Op deze manier wordt er enige vervorming geïntroduceerd, waardoor de bits elkaar beïnvloeden.

Het schema wordt nu veel gecompliceerder, waardoor maximaal zeven verschillende staten kunnen worden bereikt. Cruciaal is dat het soms verhogen en verlagen van de druk resulteert in een toestand waarin het systeem zich nog niet eerder heeft bevonden. "Dit is een soort herinnering", zegt Bense, "de staat van het systeem hangt niet alleen af ​​van de druk, maar ook van het verleden."

Een ander stuk rubber vertoont telgedrag. De ene toestand wordt bereikt na één keer uitknijpen en loslaten, een andere toestand na een tweede uitknijpen en loslaten. "Dus in feite telt het het aantal knijpen", zegt Bense. "Dat is een vorm van informatieverwerking, ook al is het heel eenvoudig", zegt Van Hecke.

In het artikel beschrijven de onderzoekers experimenten en berekeningen, en theoretiseren ze over de wederzijdse invloed van bits, om zo de volgorde van bitflips te begrijpen. "Toepassingen zullen waarschijnlijk volgen", zegt Van Hecke, "maar ik weet niet welke." Eerder onderzoek naar mechanische metamaterialen leidde tot schokabsorberende sneakers en verbeteringen in zachte robotica. "Toepassingen komen altijd", zegt Van Hecke, "maar we zoeken eerst de principes achter deze metamaterialen uit."