Seit etwa zwanzig Jahren arbeiten Wissenschaftler an Metamaterialien, die in der Natur nicht vorkommen und deren mechanisches Verhalten hauptsächlich von der Architektur ihrer Struktur und nicht durch ihre chemische Zusammensetzung bestimmt wird. Dieses neue Forschungsgebiet ermöglicht es ihnen, Materialien mit spezifischen Zusammensetzungen und Eigenschaften zu erhalten. Während sie heute im Alltag noch kaum genutzt werden, soll sich dies in naher Zukunft ändern. Tian Chen, Postdoktorand der EPFL am «Flexible Structures Laboratory» von Pedro Reis und am «Geometric Computing Laboratory» von Mark Pauly, wollte es nicht bei der Produktion von Metamaterialien belassen. Er wollte nämlich ihre mechanischen Eigenschaften verändern, indem er sie nach der Herstellung programmierte. Und es ist ihm gelungen. Seine Studie wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Ein einziges Material mit mehreren mechanischen Funktionen
«Ich habe mich gefragt, wie man die Geometrie der inneren Konfiguration eines Materials ändern kann, nachdem es konzipiert wurde. Im Endstadium soll es über mehrere mechanische Funktionen, wie Steifigkeit und Festigkeit, verfügen, ohne dass es bei jedem Einsatz ausgetauscht werden muss. So trägt man zum Beispiel nach einer Verletzung eine starre Schiene, die die Bewegung stark einschränkt. Mit fortschreitender Heilung kann eine flexiblere Schiene verwendet werden. Heutzutage sind mehrere solche erforderlich. In Zukunft wird vielleicht eine einzige ausreichen», sagte Tian Chen.
Silikon und magnetisches Pulver
Der Wissenschaftler entwickelte zu diesem Zweck ein Metamaterial mit komplexer Struktur, das aus Silikon und magnetischem Pulver besteht und dessen mechanische Eigenschaften variiert werden können. Jede seiner Zellen kann wie ein Schalter fungieren. «Indem wir ein Magnetfeld um das Metamaterial legen, können einzelne Zelle aktiviert oder deaktiviert werden. Damit werden der innerer Zustand des Materials und aus diesem Grund seine mechanischen Eigenschaften verändert», erklärte Tian Chen. Der Wissenschaftler sieht eine Analogie zwischen seinem programmierbaren Material und digitalen Geräten wie Festplatten. Bei letzteren kann jedes Bit in Echtzeit beschrieben oder gelesen werden. Jede der Zellen des programmierbaren Metamaterials, die m-Bits, entsprechen den Bits einer Festplatte. Sie können in einen eher starren «ON»-Zustand oder in einen flexibleren «OFF»-Zustand versetzt werden. Damit lassen sich verschiedene Kombinationen von «ON» und «OFF» programmieren, um eine gewünschte mechanische Reaktion zu erzielen.
Für dieses Ergebnis waren vielfältige Kenntnisse aus den Bereichen Informatik und Maschinenbau gefragt. «Das ist es, was dieses Projekt so besonders macht», sagte Mark Pauly. Tian Chen führte auch eine umfangreiche Messstudie durch, um das Verhalten dieses Metamaterials in den verschiedenen Zuständen zu bewerten. Schliesslich wies er nach, dass es in der Tat möglich ist, verschiedene Steifigkeitsgrade und Verformungen zu programmieren.
Zahlreiche Forschungshorizonte
Programmierbare Metamaterialien verhalten sich ähnlich wie eine Maschine, z.B. ein Roboter, der komplexe und energieintensive elektronische Mechanismen verwendet. Das Ziel dieser Forschung war es, eine Zwischenform zwischen einem statischen Material und einer Maschine zu finden. Für Pedro Reis eröffnet diese Technologie verschiedene neue Forschungsmöglichkeiten. «Wir könnten diese Technik in drei Dimensionen realisieren. Bisher sind wir nur in zwei Dimensionen vorgegangen. Ferner könnten wir den Massstab deutlich reduzieren, um ein kleineres Metamaterial zu erzeugen», schwärmte der Professor. Dieses Grundergebnis stellt das erste wirklich programmierbare mechanische Metamaterial dar und bietet aufregende neue Perspektiven für die wissenschaftliche Forschung und industrielle Innovation.
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Journal
Nature