Johannes Overvelde promovierte in angewandter Mathematik an der Harvard University, als er Chuck Hoberman, Designer der Hoberman Sphere, einem zusammenlegbaren Regenbogenball für Kinder, traf. Beide lebten in Cambridge und hatten ähnliche Interessen. Overvelde arbeitete an der Entwicklung transformierbarer Materialien, die die Steifigkeit verändern können, und Hoberman, ein Architekt, der sich auch mit kinetischen Strukturen befasst, hatte darüber nachgedacht, wie verschiedene Materialien die Eigenschaften seiner Kugel annehmen und ihre Form ändern können, indem sie an verschiedenen Gelenken artikulieren.
Das Material in Aktion. (Johannes Overvelde) In Anlehnung an die Hoberman-Sphäre und das auf Origami basierende Konzept der Snapologie, bei dem ineinandergreifende Papierstreifen zu starren Strukturen verschmelzen, haben Overvelde und sein Team in Harvard das geschaffen, was sie als Metamaterial bezeichnen: eine erweiterbare Struktur, die auf ihrer Basis verwendet werden kann eigene oder als Baustein, um andere Strukturen zu erstellen. Die gedämpften Würfel mit drei Artikulationsgraden bestehen aus dünnen Polymerfolien, die sich flach falten lassen, aber ebenso wie die Hoberman-Kugel auf verschiedene Weise herausspringen können. Durch Anbringen an einem Druckluftschlauch kann der Benutzer einen Würfel aufblasen, um eine größere 3D-Struktur zu erstellen. Laut Overvelde hat das Material zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, von nanoskaligen Stents, die in Arterien eingeführt und dann erweitert werden können, bis zu Wänden, die sich öffnen und Ihr Haus lüften, wenn es heiß wird.
"Während die Snapologie den geometrischen Ausgangspunkt für unsere Forschung darstellt, liegt unser Fokus hier auf der Faltbarkeit dieser Strukturen und darauf, wie dies zu neuen Designs für transformierbare Metamaterialien führen kann", schreibt Overvelde in einem neuen Artikel, der in Nature Communications veröffentlicht wurde .
Die Forscher begannen mit Papiermodellen und versuchten zu beweisen, dass sie mit Snapologie solide genug bauen konnten, um sie in der Architektur zu verwenden.
„Wir hatten ein Papiermodell, das zusammengeklebt war, aber das war eine Menge Arbeit, und das Papiermodell ging nach einer Woche kaputt“, sagt Overvelde. "Also dachten wir uns, können wir das mehr zu einer konstruierten Struktur bringen?" Mit doppelseitigem Klebeband und lasergeschnittenen dünnen Plastikfolien - eine dickere für Flächen und eine dünnere für Scharniere - haben wir diese Einheiten hergestellt, die vollständig flach eingesetzt werden konnten, aber bestimmte Freiheitsgrade hatten, die wir zuvor noch nicht gesehen hatten. “
Von dort aus experimentierte das Team mit verschiedenen Methoden, um die Form der Struktur zu ändern. Sie beschlossen, dass die pneumatische Aktivierung, die präzise und einfach durch Führen von Luftschläuchen durch die Würfel zu integrieren war, es ihnen ermöglichen würde, eine Struktur auf die bestmögliche Weise zu verwenden. Die Form ändert sich je nachdem, welcher Teil der Struktur mit Luft gefüllt ist. "Jede Struktur, die wir mit diesem Gerät herstellen, kann neu konfiguriert werden", sagt er.
Der Würfel kann so komprimiert werden, dass er flach liegt. (Johannes Overvelde) Flexibilität ist für Overvelde der wichtigste Teil des Konzepts. Er mag es, die Würfel als Material und nicht nur als Struktur für sich selbst zu betrachten, weil er glaubt, dass ein Großteil des Werts der Entdeckung auf den vielen verschiedenen Arten beruht, wie sie gebaut werden können.
Der anfängliche Testwürfel der Gruppe war 50 Quadratzentimeter groß. Aber die Idee ist skalierbar - sie haben einen Klappstuhl gebaut. Jetzt experimentieren die Forscher damit, den Inflationsmechanismus empfindlich gegenüber Umgebungssignalen wie Licht oder Feuchtigkeit zu machen. In sehr kleinem Maßstab können die Würfel wie photonische Kristalle wirken, die unterschiedliche Wellenlängen des Lichts und verschiedene Farben reflektieren, wenn sie ihre Form ändern.
„Wenn Sie einen Schmetterlingsflügel haben, gibt die Struktur ihm Farbe. Wenn Sie also ein Gerät hätten, das die Farbe ändern möchte, könnten Sie dies nachahmen “, sagt Overvelde. „Auf der anderen Seite denkt man über architektonische Anwendungen nach. Wenn Sie es auf Hitze ansprechen lassen, können Sie aus dieser Struktur eine Wand machen, die sich öffnet und atmet. Sie könnten eine Struktur schaffen, die auf Wasser reagiert. Wenn es also regnet, schließt sie sich automatisch. “
Die Technologie könnte viele Anwendungen haben. (Johannes Overvelde) Overvelde hat bewiesen, dass das Konzept funktioniert, und nun möchte er sehen, wie es angewendet werden kann. Zusätzlich zu den photonischen Kristallen und der beweglichen Architektur könnte sie für alles verwendet werden, von medizinischen Geräten, die flach verpackt werden können, um sie einfach in den Körper einzufügen, bis hin zu Robotern und einsetzbaren Raumschiffen.
"Ich bin sehr gespannt, wie andere Forscher es aufnehmen werden", sagt er.
