Structuren die krimpen als je eraan trekt (video)

Een team van onderzoekers van AMOLF en ARCNL heeft een mechanisch principe aangetoond dat lijnrecht ingaat tegen wat we gewend zijn: structuren die krimpen wanneer je eraan trekt. Deze zogenoemde ‘countersnapping’-beweging is voor het eerst experimenteel waargenomen en opent de deur naar toepassingen in onder meer zachte robotica, slimme materialen en trillingsdemping.

Normaal gesproken verlengt een materiaal wanneer je er kracht op uitoefent, denk aan een elastiek. Maar de structuren die het onderzoeksteam heeft ontwikkeld, doen het tegenovergestelde. Wanneer ze onder spanning komen te staan, vouwen ze plotseling naar binnen. Dat gebeurt niet geleidelijk, maar met een abrupte, instabiele beweging die het team ‘countersnapping’ noemt.

“We hebben laten zien dat mechanische systemen ontworpen kunnen worden om zich op manieren te gedragen die bijna paradoxaal lijken”, zegt Bas Overvelde, hoofdonderzoeker van de Soft Robotic Matter Group. Volgens hem biedt het principe nieuwe mogelijkheden voor uiteenlopende toepassingen, van medische robots tot aardbevingsbestendige gebouwen.

Om het fenomeen te realiseren, koos het team niet voor één complexe structuur, maar voor een modulaire aanpak. Door eenvoudige bouwstenen op een specifieke manier te combineren, ontstonden grotere structuren met dit onverwachte gedrag. “Het is alsof we een nieuw bouwblok hebben ontdekt voor mechanische systemen”, aldus eerste auteur Paul Ducarme. “Het gedraagt zich totaal anders dan wat we kennen, maar zodra je het begrijpt, kun je er verrassende dingen mee doen.”

Toepassingen in robotica, materialen en bouw

Countersnapping biedt mogelijkheden voor ontwerpers van mechanische systemen die moeten reageren op veranderende omstandigheden. De onderzoekers noemen onder meer structuren die zonder elektronica een eenrichtingsbeweging kunnen uitvoeren. Dat is bijvoorbeeld nuttig in zachte robots die zich in het menselijk lichaam moeten voortbewegen zonder terug te glijden.

Ook kan het principe worden ingezet in materialen die op afroep van stijfheid veranderen: handig voor exoskeletten of protheses die zich aanpassen aan verschillende situaties. En in de bouw of luchtvaart zouden deze structuren trillingen passief kunnen dempen, bijvoorbeeld in vliegtuigen of gebouwen in aardbevingsgevoelige gebieden.

Martin van Hecke, groepsleider van de Mechanical Metamaterials-groep bij AMOLF, benadrukt dat de toepassingen niet hoeven te blijven bij afzonderlijke structuren. “Dit opent nieuwe mogelijkheden voor metamaterialen die zich gedragen als mechanische computers”, zegt hij.

De volgende stap in mechanisch ontwerp

De onderzoekers zien hun ontdekking als het begin van een bredere ontwikkeling. Zoals traditionele ‘snapping’ een plek heeft gekregen in onder andere inklaptenten en ruimteconstructies, zou countersnapping een nieuwe generatie technologieën kunnen aandrijven: technologieën die sneller, slimmer en adaptiever reageren op hun omgeving.

Het volledige onderzoek verscheen in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) onder de titel ‘Exotic mechanical properties enabled by countersnapping instabilities’.