Johannes Overvelde promoveerde in de toegepaste wiskunde aan de Harvard University toen hij Chuck Hoberman, ontwerper van de Hoberman Sphere, een opvouwbare regenboogbal voor kinderen, ontmoette. Beide woonden in Cambridge en hadden vergelijkbare interesses. Overvelde werkte aan de ontwikkeling van transformeerbare materialen die de stijfheid konden veranderen, en Hoberman, een architect die ook kinetische structuren bestudeert, had nagedacht over hoe verschillende materialen de eigenschappen van zijn bol konden aannemen, van vorm veranderen door op verschillende gewrichten te articuleren.
Het materiaal in actie. (Johannes Overvelde) Lenen van de Hoberman Sphere en het op origami gebaseerde concept van snapologie, waarbij in elkaar grijpende stroken papier aan elkaar klikken om stijve structuren te maken, Overvelde en zijn team bij Harvard hebben wat ze een metamateriaal noemen: een uitbreidbare structuur die op zijn bezit, of als een bouwsteen om andere structuren te maken. De verzwakte kubussen, die drie graden van articulatie hebben, zijn gemaakt van dunne polymeervellen die plat vouwen maar ook op verschillende manieren kunnen opduiken, net als de Hoberman Sphere. Door het aan een pneumatische slang te bevestigen, kan een gebruiker een kubus opblazen om een grotere 3D-structuur te creëren. Overvelde zegt dat het materiaal talloze toepassingen kent, van stents op nanoschaal die in slagaders kunnen worden ingebracht en vervolgens kunnen worden uitgebreid, tot muren die open kunnen vouwen en uw huis ventileren wanneer het heet wordt.
"Terwijl snapology het geometrische startpunt vormt voor ons onderzoek, ligt onze focus hier op de vouwbaarheid van deze structuren en hoe dit kan leiden tot nieuwe ontwerpen voor transformeerbare metamaterialen, " schrijft Overvelde in een nieuw artikel, gepubliceerd in Nature Communications .
De onderzoekers begonnen met papieren modellen en probeerden aan te tonen dat ze met snapologie iets solide konden bouwen om in de architectuur te gebruiken.
"We hadden een papieren model dat aan elkaar was gelijmd, maar dit was veel werk, en het papieren model brak na een week, " zegt Overvelde. "Dus we dachten, 'kunnen we dit meer naar een ontworpen structuur brengen?' Met behulp van dubbelzijdig plakband en lasergesneden dunne plastic vellen - een dikker voor gezichten en een dunner voor scharnieren - hebben we deze eenheden gemaakt die volledig plat konden worden ingezet, maar met specifieke vrijheidsgraden die we nog niet eerder hadden gezien. "
Vanaf daar experimenteerde het team met verschillende manieren om de vorm van de structuur te veranderen. Ze besloten dat pneumatische activering, die nauwkeurig en gemakkelijk te integreren was door luchtslangen door de kubussen te laten lopen, hen op de meest mogelijke manieren een structuur zou laten gebruiken. De vorm verandert afhankelijk van welk deel van de structuur met lucht is gevuld. "Elke structuur die we met dit apparaat maken, kan opnieuw worden geconfigureerd", zegt hij.
De kubus kan worden gecomprimeerd zodat deze plat ligt. (Johannes Overvelde) Voor Overvelde is flexibiliteit het belangrijkste onderdeel van het concept. Hij beschouwt de kubussen graag als een materiaal, in plaats van alleen als een structuur voor zichzelf, omdat hij denkt dat veel van de waarde van de ontdekking komt door de vele verschillende manieren waarop ze kunnen worden gebouwd.
De eerste testkubus van de groep was 50 centimeter in het vierkant. Maar het idee is schaalbaar - ze hebben een klapstoel gebouwd. Nu experimenteren de onderzoekers met het gevoelig maken van het opblaasmechanisme voor omgevingscues, zoals licht of vocht. Op zeer kleine schaal kunnen de kubussen werken als fotonische kristallen, die verschillende golflengten van licht en verschillende kleuren reflecteren als ze van vorm veranderen.
“Als je een vleugel van een vlinder hebt, geeft de structuur deze kleur. Dus als je een apparaat had dat van kleur wil veranderen, zou je dat kunnen nabootsen, ”zegt Overvelde. “Aan de andere kant denk je aan architectonische toepassingen. Als je het op warmte zou laten reageren, zou je een muur van deze structuur kunnen maken die opengaat en ademt. Je zou een structuur kunnen maken die op water reageert, dus als het regent, sluit het automatisch. "
De technologie kan veel toepassingen hebben. (Johannes Overvelde) Overvelde heeft bewezen dat het concept werkt en wil nu zien hoe het kan worden toegepast. Naast fotonische kristallen en de beweegbare architectuur, denkt hij dat het voor alles kan worden gebruikt, van medische apparaten die plat kunnen worden verpakt voor eenvoudige plaatsing in het lichaam, tot robots en inzetbare ruimteschepen.
"Ik ben echt benieuwd hoe andere onderzoekers het zullen oppakken", zegt hij.
