I ricercatori di AMOLF stanno studiando strutture prismatiche tridimensionali che possono assumere forme diverse con l'obiettivo di produrre metamateriali con proprietà multiple. I ricercatori hanno trovato un nuovo modo per simulare le deformazioni in tali strutture, e così facendo, hanno scoperto una vasta gamma di forme inaspettate. I risultati saranno pubblicati oggi sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

È una ricerca matematica fondamentale ma anche molto tangibile. Sulla scrivania giace un complesso, costruzione simile a un origami realizzata con quadrati di plastica. Però, quando compresso, si ripiega e forma una struttura compatta più simile a un condominio con quattro torri. Le forme che può assumere la struttura sono previste da un nuovo metodo di calcolo sviluppato dai ricercatori AMOLF Agustin Iniguez-Rabago, Yun li e Bas Overvelde del gruppo Soft Robotic Matter.

La struttura è un modello per un metamateriale meccanico tridimensionale, che è stato costruito a mano da Iniguez-Rabago. Inoltre, il materiale è multistabile, il che significa che può mantenere diverse forme senza esercitare forza su di esso.

"Potresti ancora ricordare i cosiddetti braccialetti Slap Wrap che potevi lanciare al polso e che erano stabili sia nella forma diritta che rotonda, " afferma Overvelde, capogruppo di AMOLF. "Le strutture che abbiamo indagato mostrano comportamenti simili, ma con molte più possibilità." Tuttavia, non tutti i materiali con cui lavorano i ricercatori possono essere compresi intuitivamente in questo modo, dice Iniguez-Rabago. "Per alcune strutture, non ci aspettavamo che dimostrassero un comportamento multistabile. Sono rimasto stupito dal fatto che questo sia semplicemente uscito dal nostro nuovo algoritmo informatico".

Mini robot

I metamateriali hanno proprietà speciali che dipendono dalla loro forma oltre che dal materiale di cui sono fatti. Ci sono molte possibili applicazioni se i ricercatori possono acquisire una buona comprensione di come la forma determina le proprietà. Questi materiali potrebbero quindi essere utilizzati come mini-robot o sistemi per immagazzinare energia, Per esempio. "Abbiamo costruito strutture su scala centimetrica per verificare se i nostri calcoli sono corretti. Tuttavia, il comportamento meccanico sottostante dovrebbe essere applicabile anche su scale molto più piccole o più grandi, "dice Overvelde.

Usando il loro modello, i ricercatori sono riusciti a calcolare grandi quantità di modelli tridimensionali. Iniguez-Rabago dice, "Vogliamo sapere quante forme stabili ha un certo design. Fino ad ora, le persone usavano spesso un modello bidimensionale e cercavano di descriverlo nel modo più preciso possibile. Però, molto di più è possibile con il nostro nuovo metodo di calcolo. Ora possiamo studiare metamateriali tridimensionali che mostrano un comportamento altamente complesso difficile da prevedere".

Superfici flessibili

I ricercatori hanno fatto due scelte importanti per realizzare le simulazioni. Il primo consisteva nel rendere le superfici delle strutture alquanto flessibili. Questo ha permesso una transizione più facile da una forma all'altra, che si traduce in forme più stabili per struttura. La seconda scelta era quella di non permettere al computer di calcolare casualmente tutte le forme possibili, ma solo combinazioni uniche di forze applicate sulle cerniere. «In un certo senso, pizzichiamo una struttura in vari modi e osserviamo se la struttura salta in un'altra forma; è molto simile a come si farebbero esperimenti." Questo rende i calcoli molto più semplici. "Con questo approccio, a volte abbiamo trovato oltre 100 forme stabili per una struttura, " dice Iniguez-Rabago.

Movimento controllato

I ricercatori hanno verificato le loro simulazioni fabbricando le strutture ed eseguendo esperimenti. Ora, faranno un passo avanti. Spostando leggermente una singola cerniera (gonfiando un singolo palloncino nel modello), possono cambiare drasticamente la forma dell'intera struttura. "Possiamo usare questa idea in applicazioni successive, " Spiega Iniguez-Rabago. "Con materiali reattivi come gli idrogel, possiamo costruire una struttura su scala molto più piccola e controllare come si muove. Questo è il nostro obiettivo finale".