Delftenaren helpen ontwikkeling 3D materiaal met instelbare vorm en grootte (video)

De eerste auteur van een artikel in Nature Communications over het materiaal is Johannes Overvelde, promovendus aan Harvard University en afgestudeerd als master bij de faculteit 3mE van de TU Delft. Hij werd in het onderzoek bijgestaan door Twan de Jong, masterstudent Aerospace Engineering aan de TU Delft. “We hebben, geïnspireerd door modulaire origami, een geavanceerd metamateriaal ontworpen”, zegt Overvelde. “Het kan actief zijn vorm, stijfheid en volume veranderen via ingebouwde actuatoren”.

Origami

De structuur – Snapology genaamd – is geïnspireerd op origami-technieken en is gemaakt van geëxtrudeerde kubussen met 24 vlakken en 36 randen. Net zoals origami kan de kubus langs de randen worden gevouwen en van vorm veranderen. De onderzoekers konden, zowel theoretisch als experimenteel met een prototype, aantonen dat de kubus kan worden veranderd in vele verschillende vormen door bepaalde randen te vouwen. 

De kubussen zijn gemaakt van zeer dunne lagen PET plastic en dubbelzijdige tape. De actuatie is gemaakt van PVC plastic. De onderzoekers plaatsten pneumatische actuatoren in de structuur die kunnen worden geprogrammeerd om de kubus van vorm en grootte te laten veranderen. Het materiaal kan overigens ook worden voorzien van allerlei andere soorten actuatoren (thermisch, elektrisch of hydraulisch). 

Het team verbond 64 individuele kubussen tot een 4 x 4 x 4 kubus die kan groeien en krimpen en bijvoorbeeld ook een volledig platte vorm kan aannemen. Als de structuur verandert van vorm, verandert de stijfheid van de structuur ook drastisch.

Shelters bij rampen

Deze ontwikkeling opent volgens Harvard University nieuwe ontwerpmogelijkheden voor makkelijk toe te passen transformeerbare structuren, bijvoorbeeld in dynamische architectuur, zoals adaptieve façades voor gebouwen en flexibele daken.

“Dit onderzoek heeft een nieuwe klasse van vouwbare materialen opgeleverd die ook nog schaalbaar zij”, zegt Overvelde. “Het principe werkt van de nanoschaal tot op het niveau van meters en zou kunnen worden ingezet voor allerlei toepassingen, van chirurgische stents tot draagbare pop-up shelters bij rampen”.

Twan de Jong van de TU Delft heeft in dit onderzoek meegewerkt aan de prototypes, en heeft de experimenten uitgevoerd. Hij is overigens niet de eerste Delftse masterstudent die als visiting student op Harvard aan dit onderwerp werkt. Vorig jaar publiceerde Overvelde in het tijdschrift PNAS al over een eerder gerelateerd project over het gebruik van instabiliteit in zachte actuatoren, waarbij twee masterstudenten van de TU Delft waren betrokken.

“A three-dimensional actuated origami-inspired transformable metamaterial with multiple degrees of freedom”, Nature Communications 11 maart 2016. (DOI: 10.1038/NCOMMS10929).