Vormen veranderen met een druk op de knop

Programmeerbare materialen kunnen hun kenmerken op een gecontroleerde en omkeerbare manier veranderen met een druk op de knop, waarbij ze zich onafhankelijk aanpassen aan nieuwe omstandigheden. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om comfortabele stoelen of matrassen te maken die doorligwonden voorkomen. Dit type programmeerbaar materiaal wordt ontwikkeld door onderzoekers van de Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials CPM, die van plan zijn het op de markt te brengen met de hulp van industriële partners.

In de toekomst moet het mogelijk zijn om doorligwonden te voorkomen met behulp van materialen die zo geprogrammeerd kunnen worden dat ze hun vorm en mechanische eigenschappen volledig aanpassen. Zo kan de lichaamsondersteuning van matrassen van programmeerbare materialen met een druk op de knop op elk gebied worden aangepast. Verder is de steunlaag zo gevormd dat sterke druk op één punt kan worden verdeeld over een groter gebied. Delen van het bed waar druk wordt uitgeoefend, worden automatisch zachter en elastischer gemaakt. Verzorgers kunnen ook de ergonomische ligpositie aanpassen aan hun patiënt.

Materialen en microstructurering

Materialen voor toepassingen die specifieke veranderingen in stijfheid of vorm vereisen, worden ontwikkeld door onderzoekers van Fraunhofer CPM. Dus, hoe kunnen we materialen programmeren? “In wezen zijn er twee belangrijke gebieden waarop aanpassingen kunnen worden gemaakt: het basismateriaal – thermoplastische polymeren in het geval van matrassen en metaallegeringen voor andere toepassingen, waaronder legeringen met vormgeheugen – en, meer specifiek, de microstructuur”, zegt Heiko Andrä ” De microstructuur van deze metamaterialen bestaat uit eenheidscellen die bestaan uit structurele elementen zoals kleine balken en dunne schalen.” Terwijl de grootte van elke eenheidscel en zijn structurele elementen in conventionele cellulaire materialen, zoals schuim, willekeurig variëren, zijn de cellen in de programmeerbare materialen ook variabel – maar kunnen nauwkeurig worden gedefinieerd, d.w.z. geprogrammeerd. Deze programmering kan bijvoorbeeld zo worden gemaakt dat druk op een bepaalde positie zal resulteren in specifieke veranderingen in andere delen van de matras, d.w.z. het vergroten van het contactoppervlak en het bieden van optimale ondersteuning aan bepaalde delen van het lichaam .

Reageren op temperatuur of vochtigheid

De vormverandering die het materiaal moet vertonen en de prikkels waarop het reageert – mechanische belasting, hitte, vocht of zelfs een elektrisch of magnetisch veld – kunnen worden bepaald door de materiaalkeuze en de microstructuur ervan. “De programmeerbare materialen maken het mogelijk om producten aan te passen aan de specifieke toepassing of persoon, zodat ze multifunctioneler zijn dan voorheen. Hierdoor hoeven ze niet zo vaak te worden verwisseld. Het is vooral interessant in het kader van materiaalbesparing en duurzaamheid”, zegt Franziska Wenz. Ook hiermee kan een meerwaarde worden gecreëerd, waarbij producten worden aangepast aan de individuele behoeften van de gebruikers.

De reis naar de toepassing

Een enkel stuk materiaal kan de plaats innemen van complete systemen van sensoren, regelaars en actuatoren. Het doel is om de complexiteit van systemen te verminderen door hun functionaliteiten in het materiaal te integreren en de materiaaldiversiteit te verminderen. “Bij de ontwikkeling van de programmeerbare materialen houden we altijd rekening met industriële producten. Zo houden we onder meer rekening met massaproductieprocessen en materiaalmoeheid”, zegt Wenz. De eerste pilotprojecten met industriële partners zijn ook al aan de gang. Het onderzoeksteam verwacht dat programmeerbare materialen in eerste instantie zullen dienen als vervanging van componenten in bestaande systemen of worden gebruikt in speciale toepassingen zoals medische matrassen, comfortabele stoelen, schoenzolen met variabele demping en beschermende kleding. “Gaandeweg zal het aandeel programmeerbare materialen dat wordt gebruikt toenemen.” zegt Andrä. Uiteindelijk kunnen ze overal worden gebruikt – van medicijnen en sportartikelen tot zachte robotica en zelfs ruimteonderzoek.