Metamaterijali odnosno materijali čija je funkcija određena strukturom a ne sastavom su dizajnirani kako bi odbili svetlost i zvuk, kako bi se transformisali od mekih ka krutim, pa čak i ublažili intenzitet seizmičkih talasa kao posledice zemljotresa. Ali svaka od ovih funkcija zahteva jedinstvenu mehaničku strukturu, čineći ove materijale odličnim za specifične zadatke, ali teške u smislu njihovog implementiranja u širem smislu.
Ali šta ako materijal može unutar svoje strukture da sadrži višestruke funkcije i da se lako i samostalno prebacuje sa jedne na drugu?
Istraživači sa Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) i Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering razvili su opšti okvir za dizajniranje metamaterijala sa promenljivom strukturom (rekofigurabilni metamaterijali). Strategija dizajniranja je po obimu nezavisna, što znači da se može primeniti na sve - primena može biti i tamo gde su jedinice metri ali i kod rekonfigurabilnih sistema nano razmera, kao što su fotonski kristali, talasovodi i metamaterijali za vođenje toplote.
Istraživanje je objavljeno u časopisu „Nature“.
„Što se tiče rekonfigurabilnih metamaterijala, prostor za njihovo stvaranje je neverovatno veliki i izazov je doći do pametnih strategija kako bi se oni istražili", rekla je Katia Bertoldi, John L. Loeb Associate Professor of the Natural Sciences at SEAS i glavni autor rada. „Kroz saradnju sa dizajnerima i matematičarima, našli smo način da generalizujemo ova pravila i brzo generišemo puno zanimljivih dizajna."
Oglas
Slika. Rekofigurabilni metamaterijali (izvor: Johannes Overvelde/Harvard SEAS, preuzeto sa www.sciencedaily.com)
Bertoldi i bivši student Johannes Overvelde, koji je prvi autor rada, sarađivali su sa Chuck Hobermanom, sa Harvard Graduate School of Design (GSD) i saradnikom sa Wyss Institute i James Weaverom, senior istraživačem sa Wyss Institute, u cilju dizajniranja metamaterijala.
Istraživanje je počelo 2014. godine, kada je Hoberman pokazao Bertoldi svoj originalni dizajn za familiju sklopivih struktura, uključujući i prototip ekstrudirane kocke. „Bili smo iznenađeni kako se lako može saviti i promeniti oblik", rekla je Bertoldi. „Shvatili smo da se ovi jednostavni geometrijski oblici mogu koristiti kao gradivni blokovi za formiranje nove klase rekonfigurabilnih metamaterijala, ali nam je dosta vremena potrebno za identifikovanje strategije dizajna da bi se to postiglo."
Interdisciplinarni tim je shvatio da sklopovi poliedri mogu da se koriste kao šablon za izradu ekstrudiranih rekonfigurabilnih struktura sa tankim zidovima, što drastično pojednostavljuje proces dizajna.
„Kombinacijom dizajna i računskog modelovanja, bili smo u stanju da identifikujemo širok spektar različitih preraspodela i stvorimo nacrt ili DNK za izgradnju ovih materijala u budućnosti", rekao je Overvelde, sada vođa grupe naučnika u okviru Soft Robotic Matter grupe na FOM Institute AMOLF u Holandiji
Isti računarski modeli se mogu koristiti i za kvantifikaciju različitih načina na koji se materijal može savijati i kako to utiče na efektivna svojstva materijala kao što je krutost. Na taj način bi moglo brzo da se skenira blizu milion različitih dizajna i izabere ono sa željenim svojstvima.
Kada se izabere specifičan dizajn, tim izgrađuje prototipove od svakog 3D metamateriala korišćenjem laserski sečenog kartona i dvostrane trake. Kao i origami, dobijena struktura se može sklopiti duž ivica kako bi promenila oblik.
„Sada kada smo rešili problem formalizacije dizajna, možemo da počnemo da razmišljamo o novim načinima kako da izradimo i rekonfigurišemo ove metamaterijale u manjoj razmeri, na primer kroz razvoj 3D-štampanih samo aktivirajućih ekološki odgovornih prototipova", rekao je Weaver.
Ovaj formalizovani okvir dizajna može biti koristan za građevinske inženjere i one koji rade u vazduhoplovstvu, naučnike koji se bave razvojem materijala, fizičare, robotičare, biomedicinske inženjere, dizajnere i arhitekte.
„Ovaj okvir je nešto kao alat za izgradnju rekonfigurabilnih materijala", rekao je Hoberman. „Ovi gradivni blokovi i prostor za dizajn su izuzetno bogati, a mi smo tek počeli da istražujemo stvari koje se od njih mogu izgraditi."
