pte20211025004 Forschung/Entwicklung, Produkte/Innovationen

Neue Bauteile nehmen beliebige Formen an

Innovation von SEAS-Wissenschaftlern ist zu jeder Zeit im energetischen Gleichgewicht


Computersimulation einer Formveränderung (Grafik: seas.harvard.edu)
Computersimulation einer Formveränderung (Grafik: seas.harvard.edu)

Cambridge (pte004/25.10.2021/06:15)

Bauteile aus seiner Formgedächtnislegierung nehmen nach einer Verformung ihre ursprüngliche Gestalt wieder an, wenn sie einem Reiz ausgesetzt sind, beispielsweise Wärme. Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences https://www.seas.harvard.edu/ (SEAS) in Cambridge im US-Bundesstaat Massachusetts haben ein Bauteil entwickelt, das zahlreiche Formen annehmen und in der jeweiligen Position im energetischen Gleichgewicht ist. Damit ist nach Ansicht der Forscher der Weg für eine neue Art von multifunktionalen Materialien geebnet, das in einer Reihe von Bereichen eingesetzt werden kann, von Robotik und Biotechnologie bis hin zu Architektur.

[b]Wandlungsfähige Einheitszellen[/b]

„Heutige Formgedächtnismaterialien können nur eine Gestalt annehmen", sagt Lakshminarayanan Mahadevan, Professor für Angewandte Mathematik, Organismische und Evolutionsbiologie sowie für Physik. „Doch wir haben gezeigt, wie man strukturelle Materialien schaffen kann, die eine beliebige Bandbreite an Wandlungsfähigkeit haben." Diese Strukturen ermöglichten eine unabhängige Steuerung der Geometrie und Mechanik und legten den Grundstein für die Entwicklung funktionaler Formen mit einer neuen Art von wandlungsfähigen Einheitszellen.

[b]„Unendliche" Anzahl von Positionen[/b]

Das Team startete mit einer neutral stabilen Einheitszelle mit zwei starren Elementen, einem Federbein und einem Hebel sowie zwei dehnbaren elastischen Federn. Diese Kombination von starren und elastischen Elementen balanciert die Energie der Zellen aus, wodurch jede neutral stabil wird, was bedeutet, dass sie zwischen einer „unendlichen" Anzahl von Positionen oder Orientierungen wechseln und in jeder von ihnen stabil sein können.

„Die Geometrie der Einheitszelle kann variiert werden, indem sowohl ihre Gesamtgröße als auch die Länge des einzelnen beweglichen Federbeins geändert werden", sagt Gaurav Chaudhary, Postdoc an der SEAS. Ihre elastische Reaktion lasse sich ändern, indem Federn mit unterschiedlichen Rückholkräften eingesetzt oder die Geometrie der starren Elemente variiert wird."

Die Forscher verwendeten sowohl mathematische Modellierung als auch reale Demonstrationen, um die Formveränderungsfähigkeit des Bauteils zu zeigen. Das Team zeigte, dass sich Zellen aus vorgespanntem Material krümmen und sich zu einer Helix verdrehen können.



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