Een stuk rubber kan niet tellen. Toch?
Een blok rubber dat tot tien kan tellen en zelfs kan onthouden in welke volgorde het ingedrukt wordt. Natuurkundigen Martin van Hecke en Lennard Kwakernaak (Universiteit Leiden en AMOLF Amsterdam) publiceren over dit nieuwste metamateriaal in het vaktijdschrift Physical Review Letters. ‘Ik vind het mooi om complexiteit te vinden in simpele dingen.’
Promovendus Kwakernaak komt breed lachend binnen met het pronkstuk in zijn handen: een stuk zacht rubber met 22 balkjes in paren. ‘Dit is onze beam counter (een balk die telt). Duw er maar eens op’, moedigt hij aan. Het resultaat is onverwacht. De balkjes buigen allemaal naar links behalve de eerste, die buigt naar rechts. ‘Dat eerste balkje duwt vervolgens de volgende twee naar rechts en dat schuift elke keer dat je duwt een positie op. Zo telt het materiaal tot tien.’
Kijk hier hoe het mechanische metamateriaal beweegt
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofMateriaal met geheugen
Het rubber is een voorbeeld van een mechanisch metamateriaal: dat is een materiaal waarvan de eigenschappen niet alleen bepaald worden door de samenstelling, maar ook door de structuur. De groep van Van Hecke onderzoekt hoe je met simpele materialen informatie kan verwerken, een beetje zoals een computer. Een balkje dat van links naar rechts knakt, kun je vergelijken met een computerbit die nul of één is. ‘Het is niet makkelijk om de structuur zo te ontwerpen dat het reageert zoals we willen’, licht Kwakernaak toe. ‘Tellen is de simpelste berekening die we konden verzinnen, dus dat was een logisch startpunt.’
‘Bij het ontwikkelen van zo’n materiaal probeer je de spelregels te ontdekken’, vertelt de promovendus. ‘Wat kun je wel of niet doen? De spelregel gaat hier over het contact dat een balkje met zijn buren heeft.’ De onderzoekers gingen nog een stap verder dan tellen, legt hij uit. ‘Ik kwam er gaandeweg achter dat je verschillende reacties in het rubber kan veroorzaken door met meer of minder kracht te duwen. Door hiermee te experimenteren kon ik een metamateriaal maken dat alleen tot het einde telt als je er in de juiste volgorde met de juiste kracht op duwt. Een soort slot dus.’
Simpele oplossingen voor allerlei problemen
Een mogelijk gebruik is het tellen van verschillende auto’s uit verschillende gewichtsklasses die over een brug rijden. Of bijvoorbeeld een stappenteller, want je kunt het metamateriaal zo groot of klein maken als je wilt. ‘Het grote voordeel is dat zulke mechanische metamaterialen goedkoop, robuust en niet onderhoudsgevoelig zijn’, zegt Kwakernaak. ‘Dat maakt ze interessant voor allerlei toepassingen. Het is lastig te zeggen wat die precies zullen zijn, maar zulke nieuwe materialen blijken altijd een nut te vinden. Eerder onderzoek naar een materiaal dat als origami opvouwt, inspireerde bijvoorbeeld het vouwen van zonnepanelen op een satelliet.’
Kwakernaak zelf vindt het vooral leuk om te zien hoe ogenschijnlijk simpele dingen heel complex kunnen zijn. ‘Hoe zo’n dun balkje buigt is veel ingewikkelder dan je misschien denkt. Een computer kan het zelfs nauwelijks simuleren.’ Hij lacht: ‘Het voelt soms bijna alsof ik een professioneel hobbyist ben.’ Zijn volgende stap is om een nog ingewikkeldere structuur te verzinnen, waarbij er niet slechts in één richting interactie tussen buren is, maar in een vlak. ‘Dat zou feitelijk een simpele computer zijn.’
Lees de publicatie
Lees het wetenschappelijke artikel in het vaktijdschrift Physical Review Letters.
Ga naar de website