Im täglichen Leben verwenden wir Objekte, die spezifische Eigenschaften besitzen, die es ihnen ermöglichen, bestimmte Funktionen auszuführen. Zum Beispiel bietet die Weichheit eines Kissens Komfort, während die Steifheit eines Nudelholzes gleichmäßiges Ausrollen ermöglicht. Einmal hergestellt, können diese Objekte ihre Eigenschaften nicht ändern. Ein Kissen wird niemals zu einem Nudelholz werden, noch wird ein Nudelholz den Komfort eines Kissens bieten.

Stellen Sie sich jedoch ein Objekt vor, das seine Eigenschaften von weich zu steif mit einer einfachen Bewegung ändern kann. Ein solches Objekt könnte in einem Moment so weich wie ein Kissen und im nächsten Moment so steif wie ein Nudelholz sein. Diese Multifunktionalität könnte den Bedarf an verschiedenen Ressourcen erheblich reduzieren und eine Revolution in der Nachhaltigkeit des täglichen Technologieeinsatzes bringen.

Fortschritte bei Materialien
Mein Team und ich erforschen rekonfigurierbare mechanische Metamaterialien, die eine neue Klasse von Materialien mit anpassbarer interner Struktur darstellen. Diese Materialien haben die einzigartige Fähigkeit, zwischen drei gegensätzlichen Zuständen zu wechseln: floppy, steif und multistabil. Das bedeutet, dass ihre Eigenschaften je nach Bedarf verändert werden können, sodass das Material hart oder weich sein kann oder sogar Energie speichern kann.

Ein aus diesen Metamaterialien hergestelltes Objekt kann steif werden, um äußeren Kräften standzuhalten, seine Form wie ein flexibles Mechanismus anpassen oder Energie wie ein multistabiles Material absorbieren. Diese Fähigkeit macht es für verschiedene Anwendungen äußerst nützlich.

Nachträgliche Anpassung
Ein Schlüsselelement dieser Materialien ist das Meta-Gelenk, das eine Änderung der Eigenschaften nach der Herstellung ermöglicht. Die Änderung erfolgt durch das Anwenden von Kräften an bestimmten Punkten, an denen sich Kanten verbinden und ein flexibles Gelenk bilden. In einem Zustand ist der Block steif, weil das Gelenk nicht aktiviert ist, während in einem anderen Zustand die Aktivierung des Gelenks eine lokale Rotation ermöglicht, wodurch es flexibel wird.

Dieser rekonfigurierbare Block kann verwendet werden, um Strukturen mit anpassbaren Eigenschaften zu schaffen. Zum Beispiel kann ein Balken je nach angewandter Last steif oder flexibel sein. Darüber hinaus können Blöcke in zwei Dimensionen zusammengesetzt werden, um verschiedene Konfigurationen zu erstellen, jede mit ihren eigenen Eigenschaften: steif, floppy oder multistabil.

Praktische Anwendungen
Diese multifunktionalen Materialien können in verschiedenen Branchen eingesetzt werden. Neben den physikalischen Eigenschaften können auch geometrische Eigenschaften angepasst werden. Zum Beispiel kann durch die Umprogrammierung von Einheiten die Größe und Form eines Produkts geändert werden.

Ein Beispiel ist ein multifunktionaler Kleiderbügel. Durch selektive Aktivierung von Gelenken kann der Bügel gefaltet werden, um Platz zu sparen, oder er kann erweitert werden, um Kleidung verschiedener Größen aufzunehmen. Diese Anpassungsfähigkeit führt zu einer nachhaltigeren Ressourcennutzung.

Eine All-in-One-Klasse von Metamaterialien hilft bei der Schaffung von Mehrzweckprodukten. Die Multifunktionalität verspricht eine Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, eröffnet einen nachhaltigen Weg für zukünftige Technologien und trägt zur Erreichung der Nachhaltigkeitsziele bei, wodurch eine grünere und widerstandsfähigere Zukunft geschaffen wird.

Original:
Damiano Pasini
Professor für Mechanik und Materialien an der McGill University